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VLA 机器人技术演进:10 篇视觉 - 语言 - 动作模型核心论文解析

VLA 模型正在重塑机器人领域,推动其从专用编程向通用感知与执行转变。精选 10 篇关键论文,涵盖 RT-2、OpenVLA、GR00T N1 等代表性工作,深入剖析视觉 - 语言 - 动作模型的演进脉络。内容分为基础理论与前沿突破两部分,探讨数据标准化、开源生态、人类视频预训练及物理世界建模等核心技术。文章总结了当前面临的 Sim-to-Real 鸿沟、实时性及安全性挑战,并展望了更大规模预训练与自主学习的发展方向,为理解具身智能的未来提供清晰的技术路线图。

性能调优发布于 2026/3/30更新于 2026/10/2599 浏览
VLA 机器人技术演进:10 篇视觉 - 语言 - 动作模型核心论文解析

VLA 机器人技术演进:10 篇视觉 - 语言 - 动作模型核心论文解析

概览

2024 至 2026 年,机器人领域正经历一场范式转换:从传统的任务特定编程转向视觉 - 语言 - 动作(Vision-Language-Action, VLA)模型。这些模型将视觉感知、自然语言理解和动作执行统一在单一框架中,让机器人能够像人类一样理解指令、推理场景并执行复杂操作。

本文精选了 5 篇奠定理论基础的基础性论文和 5 篇代表最新突破的前沿论文,深入剖析 VLA 领域的核心思想、技术演进和未来方向。这些成果来自 Google DeepMind、NVIDIA、斯坦福、Physical Intelligence 等顶尖机构,涵盖了从单臂操作到双臂人形机器人、从模拟环境到真实家庭场景的全方位进展。


基础理论篇:五篇奠基之作

这部分论文确立了 VLA 领域的技术范式,是理解整个领域发展脉络的关键。

1. RT-2: New Model Translates Vision and Language into Action

发表机构:Google DeepMind
时间:2023 年 7 月
论文链接:Google DeepMind Blog

RT-2 Robotics Transformer

传统机器人策略模型往往受限于有限的演示数据,泛化能力较弱。RT-2 的核心创新在于将大规模视觉 - 语言模型(VLM)转化为 VLA 模型。它基于 PaLM-E 和 PaLI-X 等预训练 VLM,通过联合训练的方式,在互联网规模的视觉 - 语言数据和真实机器人数据上进行共同微调。

与仅从机器人演示数据学习的 RT-1 不同,RT-2 继承了 VLM 的语义理解能力,能够执行训练数据中从未出现的指令,例如'把能当即兴锤子的东西递给我'时抓取石头。技术实现上,它将机器人动作表示为文本 tokens,使 VLM 的 decoder 可以同时输出语言和动作序列。这种统一表示让模型能在 vision-language 任务和 robot control 任务间共享知识,赋予了机器人利用互联网常识进行零样本泛化的能力。

2. Open X-Embodiment: Robotic Learning Datasets and RT-X Models

发表机构:21 所机构联合(Google DeepMind 领导)
时间:2023 年 10 月
论文链接:arXiv:2310.08864

Open X-Embodiment Dataset

不同机器人平台的数据格式各异,导致每个新机器人都需要从零开始训练。Open X-Embodiment 构建了包含来自 22 种机器人形态的 100 万 + 真实轨迹的数据集,并提出 RT-X 系列模型实现跨 embodiment 的正迁移。

其技术创新包括采用 RLDS 格式统一数据格式,支持不同动作空间和多模态输入;将不同机器人的动作统一映射到 7 维 end-effector 控制加 256 bins 离散化;并在机器人数据和原始 VLM 数据上以 1:1 比例联合训练。这就像人类驾驶不同品牌的汽车时,核心的'转向 - 加速 - 刹车'逻辑是通用的,只是操作界面略有差异。RT-X 通过标准化动作空间,让模型学习任务的本质而非特定硬件的特性。

3. OpenVLA: An Open-Source Vision-Language-Action Model

发表机构:斯坦福大学、UC Berkeley、Physical Intelligence
时间:2024 年 6 月
论文链接:arXiv:2406.09246

OpenVLA Architecture

RT-2 等模型虽强大但闭源且参数量巨大,限制了学术界和初创公司的使用。OpenVLA 旨在构建一个开源、高效、性能 SOTA 的 VLA 模型。

其架构融合了 DINOv2 和 SigLIP 作为视觉编码器,Llama 2 7B 作为 backbone,并将动作离散化为 256 bins 视为 text token 预测问题。相比闭源模型,OpenVLA 仅需 7B 参数,推理速度快 7 倍,且在 29 个任务上的成功率比 RT-2-X 高 16.5%。它支持 LoRA 微调,仅需调整 1.4% 参数即可适配新任务,这使得消费级 GPU 也能运行。这不是简单的堆参数,而是精准融合:DINOv2 捕捉视觉细节,SigLIP 理解语义意图,Llama 2 整合推理能力。

4. 3D Diffusion Policy (DP3)

发表机构:MIT、清华大学、上海交通大学
时间:2023 年 12 月
论文链接:CoRL 2025

3D Diffusion Policy

2D 图像缺乏深度信息,导致机器人难以理解空间关系。DP3 将 3D 点云表示与扩散策略结合,让策略模型具备 3D 空间推理能力。

技术实现上,它输入稀疏采样的单视角点云,使用轻量级 Point Transformer 提取 3D 特征,并以 3D 表示为条件迭代去噪生成动作序列。与只能隐式推断深度的 2D CNN/ViT 不同,DP3 显式建模 3D 几何,对旋转、平移具有天然不变性,且对遮挡更鲁棒。实验显示,在 72 个仿真任务中,仅用 10 个演示,成功率比 baseline 高 24.2%。

5. Octo: An Open-Source Generalist Robot Policy

发表机构:UC Berkeley、CMU、Google DeepMind
时间:2024 年 1 月
论文链接:Octo Models

Octo Architecture

现有 VLA 模型往往针对特定机器人硬件设计,迁移到新传感器配置时需要重新训练。Octo 设计了一个模块化、易于微调的泛化机器人策略。

其核心是 Transformer-based 扩散策略加模块化注意力机制。它支持灵活输入(语言指令或目标图像、观察历史、多相机),扩散解码生成连续动作分布。架构分为 Octo-Small(27M 参数)和 Octo-Base(93M 参数)。模块化设计允许针对不同传感器或动作空间只调整对应模块,无需从头训练。这就像搭积木一样,视觉、语言、动作模块可以独立替换或升级,而不影响整体框架。


前沿突破篇:五篇热度最高的论文

这部分代表了 2024-2026 年 VLA 领域的最新突破,引领未来发展方向。

6. NVIDIA Isaac GR00T N1: Open Foundation Model for Humanoid Robots

发表机构:NVIDIA
时间:2025 年 3 月
论文链接:NVIDIA Research

NVIDIA GR00T N1

人形机器人需要全身协调控制,传统 VLA 难以处理如此高维的动作空间。GR00T N1 构建了快速、灵巧、全身控制的人形机器人基础模型。

它采用双系统设计:System 2(慢思考)基于 NVIDIA-Eagle + SmolLM-1.7B 的 VLM,处理视觉和语言,生成高层规划;System 1(快反应)是 Diffusion Transformer 动作模型,接收 System 2 的 latent vector,生成高频连续控制指令。这种解耦思考与执行的架构,模仿了人类行为模式。System 1 以 7Hz 生成动作块,配合底层控制器实现平滑执行,首个支持整个上半身连续控制的 VLA。

7. VITRA: Scalable VLA Pretraining with Human Videos

发表机构:微软亚洲研究院
时间:2026 年 1 月
论文链接:Microsoft Research

VITRA Method

机器人训练数据稀缺且昂贵,而互联网上有海量人类操作视频。VITRA 提出自动化重建管道,将非结构化的人类视频转化为机器人可用的训练数据。

步骤包括:从人类视频中提取第一视角手部轨迹,将人手动作映射到与机器人数据一致的结构化格式,在大规模人类视频上预训练,最后仅用 1000+ 机器人遥操数据即可迁移到真实任务。人类视频就像'教科书',虽然手和机械手构造不同,但操作逻辑是通用的。实验显示,仅 1000 条机器人数据,成功率从 30-40% 提升至 70%+。

8. Physical Intelligence π0.5: VLA with Open-World Generalization

发表机构:Physical Intelligence
时间:2025 年 4 月
论文链接:Physical Intelligence Blog

Physical Intelligence Robot

现有 VLA 模型在训练环境内表现优异,但面对完全陌生的新家庭/新场景时容易失效。π0.5 致力于让机器人具备真正的'开放世界泛化能力'。

核心策略是异构数据联合训练,数据来源包括多样环境、多模态网络数据、多 embodiment 数据及语言指导演示。架构基于 π0 VLA,支持 Chain-of-Thought 式推理:模型先输出高层文本动作,再生成低层连续动作。通过在多样环境训练,模型学到的是任务的本质而非特定环境的记忆。在 100 个训练环境后,模型在新环境的性能接近直接在测试环境训练的 baseline。

9. CoA-VLA: Chain-of-Affordance for Better Reasoning

发表机构:ICCV 2025
时间:2025 年
论文链接:ICCV 2025 Paper

CoA-VLA Demo

VLA 模型虽能执行语言指令,但缺乏可供性推理——不理解'哪里可以放物体'、'如何避开障碍'。CoA-VLA 引入了 Chain-of-Affordance 框架。

设计思想包括:从自由文本指令中解析物体名称,预测物体的 2D 位置,推断无碰撞路径和可放置区域,并将可供性知识转化为视觉和文本可供性注入策略网络。人类执行'把杯子放桌上'时,会自动排除边缘易掉落的位置。CoA-VLA 让机器人也进行这种推理,显式建模空间约束,生成动作前先推理'哪里安全'。实验结果超越 OpenVLA 成功率 30.65%,且模型参数更小。

10. WorldVLA: Autoregressive Action-World Model

发表机构:清华大学、上海交通大学
时间:2025 年 6 月
论文链接:Literature Review

WorldVLA Concept

传统 VLA 只预测动作,不理解物理规律。WorldVLA 让 VLA 具备物理世界建模能力,生成更符合物理直觉的动作。

核心架构统一了动作模型和世界模型:世界模型预测未来图像,学习环境物理规律;动作模型生成动作,利用世界模型的物理理解辅助视觉理解。两者联合优化,采用自回归框架,动作和图像 token 交错生成。人类学习新技能时,会在脑海中'预演'。WorldVLA 让机器人也拥有这种'心理模拟'能力。有动作条件的世界模型优于纯视频预测模型,物理知识提升抓取成功率 4%。


总结与未来展望

技术演进脉络
  • 第一代(RT-1):从机器人数据学习,任务特定
  • 第二代(RT-2, RT-X):融合互联网数据,跨 embodiment 泛化
  • 第三代(OpenVLA, Octo):开源基础模型,模块化设计
  • 第四代(GR00T, π0.5):双系统架构,开放世界泛化
  • 未来方向(WorldVLA, CoA-VLA):物理推理、可供性理解
核心挑战
  1. 数据问题:真实机器人数据昂贵,需利用人类视频缓解
  2. Sim-to-Real Gap:仿真数据难以完全迁移,需混合真实 + 仿真数据
  3. 实时性:高维动作空间推理速度慢,需双系统或 action chunking
  4. 安全性:开放环境中的碰撞风险,需可供性推理
  5. 长期规划:复杂任务需要多步推理,需 chain-of-thought
未来方向
  • 更大规模预训练:利用全网视频(人类、动物、仿真)
  • 自主学习:从失败经验中改进,减少人类监督
  • 多模态感知:融合触觉(VTLA)、听觉(VLAS)
  • 可解释性:理解 VLA 的推理过程,提高可信度
  • 边缘部署:压缩模型至消费级硬件(4-bit 量化)

VLA 模型正将机器人从'工具'转变为'智能体'。从 Google DeepMind 的 RT-2 奠基,到 NVIDIA GR00T N1 的人形机器人突破,再到微软 VITRA 的预训练新范式——这场革命才刚刚开始。当机器人能像人类一样理解世界、推理任务、执行操作时,真正的通用机器人助手将不再是科幻。

推荐阅读顺序:RT-2 → Open X-Embodiment → OpenVLA → 3D Diffusion Policy → Octo → GR00T N1 → VITRA → π0.5 → CoA-VLA → WorldVLA

目录

  1. VLA 机器人技术演进:10 篇视觉 - 语言 - 动作模型核心论文解析
  2. 概览
  3. 基础理论篇:五篇奠基之作
  4. 1. RT-2: New Model Translates Vision and Language into Action
  5. 2. Open X-Embodiment: Robotic Learning Datasets and RT-X Models
  6. 3. OpenVLA: An Open-Source Vision-Language-Action Model
  7. 4. 3D Diffusion Policy (DP3)
  8. 5. Octo: An Open-Source Generalist Robot Policy
  9. 前沿突破篇:五篇热度最高的论文
  10. 6. NVIDIA Isaac GR00T N1: Open Foundation Model for Humanoid Robots
  11. 7. VITRA: Scalable VLA Pretraining with Human Videos
  12. 8. Physical Intelligence π0.5: VLA with Open-World Generalization
  13. 9. CoA-VLA: Chain-of-Affordance for Better Reasoning
  14. 10. WorldVLA: Autoregressive Action-World Model
  15. 总结与未来展望
  16. 技术演进脉络
  17. 核心挑战
  18. 未来方向

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