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模仿学习新范式,Chain-of-Action:轨迹自回归实现动作推理

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  • 论文标题:Chain-of-Action: Trajectory Autoregressive Modeling for Robotic Manipulation
  • 主页链接:https://chain-of-action.github.io/
  • 文章链接:https://arxiv.org/pdf/2506.09990
  • 代码链接:https://github.com/ByteDance-Seed/Chain-of-Action

模仿学习的困境

具身智能(Embodied AI)作为人工智能领域的前沿方向,旨在赋予机器人或智能体在物理世界中感知、决策和行动的能力。近年来,尽管视觉 - 语言 - 动作模型(Vision Language Action, VLA)已经取得了诸多进展,但具身智能领域尚未迎来 「GPT 时刻」。越来越多的研究人员开始相信,仅仅增加模型规模和数据量似乎不足以创造出通用操作模型,如果我们想要充分释放现有数据的潜力,就需要找到更有效的机器人操作建模方法。

来自字节跳动 Seed & 阿德莱德大学的研究者追根溯源,对模仿学习的基本范式进行了反思,发现现有建模思路或许存在缺陷:经典方法如 ACT、Diffusion Policy(DP)都遵循 「前向预测」(forward-prediction)范式。而然这种方式不可避免地存在较大的复合误差(compounding error)。

在该范式下,策略通常被优化为基于当前观察预测短期的下一步动作,而非确保最终能够成功完成整个任务。虽然引入了动作分块(action chunking)等策略来缓解复合误差,但无法解决其固有的 「短视性」问题。

基于该局限,研究者提出了「动作链」(Chain-of-Action, CoA)—— 一种基于轨迹自回归的机器人操作策略。与经典范式区分,CoA 并不直接由观察映射到执行动作,而是由从最终位置反向自回归的生成轨迹点,推理出可执行的动作。研究团队初步发现,仅仅通过修改建模方式,CoA 在与 ACT 保持相同的基本结构下,空间泛化能力显著提升。这种建模方式为具身操作策略的建模提供了新的思路。

动作链:基于轨迹自回归建模的

机器人操作策略

核心思想:受到思维链(Chain-of-Thought)的启发,CoA 并不直接由观察映射到执行动作,而是在动作层面进行迭代式的推理。具体来说,CoA 逆向的生成针对目标任务的完整轨迹,这个生成过程统一在一个自回归网络下。自回归过程从 「关键帧动作」(keyframe action)开始,迭代地生成一连串完整的动作轨迹,直至当前的机器人夹爪的位置。

全局到局部一致性:这种 「从后往前」 的生成方式,为整个动作序列提供了的 「全局 - 局部」(global-to-local)结构性约束。因为每个后续生成的动作都以代表最终目标的 「关键帧」 为条件,所以最后执行的动作将会被最终目标所 「锚定」,空间泛化能力显著得到增强。

统一的自回归框架:CoA 将关键帧的识别和轨迹的生成统一在单一的自回归模型中,实现了端到端的训练和高效的闭环执行,并保持了可扩展(scalable)的潜力。

关键设计

为了实现轨迹自回归的想法,CoA 引入了四个关键设计:

连续动作表征(Continuous Action Representation):离散化的动作表征会引入量化误差,为保证轨迹的精细度,CoA 采用了连续的动作表征并引入了 「潜在一致性损失」(Latent consistency loss)。

动态停止机制(Dynamic Stopping):在连续动作空间中,没有传统的中止符(EOS token)来指示序列的结束。因此,CoA 设计了一种基于距离的动态停止机制,实现可变长度(variable length)的轨迹预测。

反向时间集成(Reverse Temporal Ensemble):传统的时序集成策略基于前向时间假设,不适用于 CoA 的反向生成模式。CoA 通过反向时序集成,进一步提高预测的稳定性。

多词元预测(Multi-token Prediction, MTP):动作局部依赖关系的建模可作为 「全局 - 局部」 一致性的补充。此设计仅在训练阶段作为正则化手段使用,在推理时移除,保证了效率。

实验验证

模拟环境测试

大幅超越基线:在涵盖 60 个任务的 RLBench 大规模拟基准测试中,CoA 的平均成功率达到了 55.2%,显著优于 ACT(38.9%)和 DP(32.6%)。相较于 ACT,CoA 在 81.7% 的任务中取得了更高的成功率,平均提升了 16.3%。相较于 DP,CoA 在 80.0% 的任务上表现更优,平均提升为 23.2%。

相关性分析:所有方法的成功率都随着物体空间分布方差的增大而下降,但 CoA 的下降趋势更为平缓,且其性能优势在高方差(更困难)的任务中更为明显。

空间泛化能力分析:研究者对泛化性进行了更细致的观察。以按按钮任务为案例,分别测试了 「内插」(in-distribution)和 「外推」(out-of-distribution)情况下各个模型的表现,结果显示,CoA 在外推场景下成功率约为内插情况下的一半,但对于 ACT 和 DP,外推任务几乎不能完成,这一定程度揭示了两种建模范式在空间泛化表现上的根本差异。

真实世界实验

研究者在一台 Fetch 机器人上,围绕 8 项厨房任务进行了部署和测试。观察来自单个 RGB 摄像头,策略以 10Hz 的频率运行,每个任务测试 10 次。实验结果显示 CoA 取得了 61.3% 的平均成功率,ACT 成功率为 46.3%,DP 的成功率 36.3%。这验证了 CoA 建模范式在真实世界中的可用性。

结论与展望

Chain-of-Action 提出了一种新颖的模仿学习范式,其核心是轨迹自回归建模。通过从一个代表任务目标的 「关键帧」开始,逆向生成动作序列,该方法为轨迹施加了一个强大的 「全局 - 局部」 结构约束,从而有效解决累计误差问题,提升机器人操作泛化性。全面的实验结果证明,在没有更多数据和增大模型规模的情况下,其在空间泛化能力相比传统范式取得显著提升。这说明一个合理的建模范式可以有效的释放现有数据的潜力。CoA 有望为未来一代的 VLA 模型提供新的建模思路。

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