Qwen-VLA: Unifying Vision-Language-Action Modeling across Tasks, Environments, and Robot Embodiments

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论文信息 - 作者:Qwen Team(核心贡献者:Qiuyue Wang*, Mingsheng Li*, Jian Guan*, Jinhui Ye 等) - 通讯作者:Shuai Bai - 投稿方向:千问VLA技术报告 - arXiv ID:2605.30280 - 模型规模:VLM backbone Qwen3.5-4B + DiT action decoder ~1.15B


一、核心问题

当前具身智能模型高度碎片化:操作(manipulation)模型针对桌面或灵巧手控制设计,导航(navigation)模型围绕室内航点预测设计,人类自我中心(egocentric)动作建模又是一个独立范式。每个模型只服务单一场景、单一机器人本体(embodiment),跨任务、跨环境、跨本体的泛化能力很弱。

本文的核心主张是:操作、导航、轨迹预测等异构具身任务可以被统一为一个"动作-轨迹预测"问题。尽管这些任务在输出格式、控制频率、动作维度上差异很大,但它们共享相同的计算结构——智能体必须基于视觉观测、语言指令和本体约束,预测物理上合理且语义对齐的未来动作或轨迹。

一句话:用一个模型统一所有具身决策任务。


二、核心思路 / 方法

2.1 统一问题建模

在时间步 $t$,模型接收:

模型预测未来 $H$ 步的目标序列:

$$p_\theta(y_{t:t+H-1} \mid o_t, x, e, z)$$

其中 $y$ 可以是:末端执行器位姿、关节角度、导航航点 $(\Delta x, \Delta y, \Delta\theta)$、人类手部 MANO 参数等——全部放入统一的张量格式。

图1:Qwen-VLA 整体概览

图1:Qwen-VLA 整体概览。模型接收多视角视觉观测、语言指令和本体描述提示,通过 Qwen3.5-4B VLM backbone 编码后,由 DiT 流匹配 action decoder 生成操作/导航/轨迹预测的统一动作输出。训练数据涵盖操作轨迹、导航数据、自我中心人类演示、合成仿真数据和视觉-语言数据,实现跨任务、跨本体的统一建模。

2.2 模型架构

模型由两部分组成:

【VLM Backbone】Qwen3.5-4B

【Action Expert】DiT-style Flow-Matching Decoder (~1.15B 参数)

2.3 Embodiment-Aware Prompt Conditioning(本体感知提示调节)

这是本文实现跨本体统一的关键设计。每个训练样本前添加一个文本提示:

The robot is {robot_tag} with {single arm / dual arms}[, waist][, and mobile base]. The control frequency is {FPS} Hz. Please predict the next {chunk_size} control actions to execute the following task: {instruction}.

这个提示是模型与特定本体之间的唯一接口。不同的机器人平台(WidowX、Franka Panda、Mobile ALOHA、AgiBot A2-D 等)、不同的控制模式(增量末端位姿/绝对关节角度/夹爪状态/灵巧手关节)、不同的预测视野(如 16 步或 8 步)——全部通过这段文本描述来区分,不需要任何架构修改。

支持的机器人平台(训练语料覆盖 10+ 种):

机器人 臂配置 动作类型
WidowX 单臂 ΔEEF + 夹爪
Google Robot 单臂 ΔEEF + 夹爪
Franka Panda 单/双臂 ΔEEF + 夹爪; 绝对关节 + 夹爪
ARX5 双臂 ΔEEF + 夹爪
Fourier GR-1 双臂 ΔEEF + 夹爪
Mobile ALOHA 双臂 ΔEEF + 夹爪; 绝对关节 + 夹爪
AgiBot A2-D 双臂 绝对关节 + 夹爪/灵巧手
AIRBOT MMK2 双臂 绝对关节 + 灵巧手
TienKung 双臂 绝对关节 + 夹爪/灵巧手
Real Human 双臂 ΔEEF(MANO 参数)

2.4 统一动作与轨迹表示

不同本体的动作维度和语义各不相同(如 7-DoF 机械臂 vs 29-DoF 全身控制)。Qwen-VLA 的方案是:

  1. 统一张量接口:所有动作表示为 $\mathbf{Y} \in \mathbb{R}^{H \times K}$,其中 $H$ 是预测视野,$K$ 是固定的最大通道数
  2. Zero-Padding:短动作向量右侧补零到 $K$ 维,用二值掩码 $\mathbf{M}$ 标记有效维度
  3. 不对齐物理语义:不强制将不同本体的动作映射到同一物理空间,保留各数据集的原始控制约定
  4. 投影设计:最终采用 Zero-Padding 方式,仅需 $2h \cdot d_{\max}$ 个参数(对比 Multi-MLP 和 Concatenation 的 $2h\sum_i d_i$),在 Bridge 和 RoboCasa 上与单本体训练持平

对于人类自我中心数据,动作表示为双手腕部 SE(3) 变换(每手 6 维)+ "eigengrasp" 系数(通过 PCA 将 45 维手部关节缩减到 10 维),总计每时间步 32 维。


三、训练目标与训练流程

3.1 训练目标

联合优化两个损失:

流匹配动作损失 $\mathcal{L}_{\text{act}}$:

视觉-语言损失 $\mathcal{L}_{\text{vl}}$:标准 next-token prediction,防止 backbone 遗忘

$$\mathcal{L} = \lambda_{\text{act}} \mathcal{L}_{\text{act}} + \lambda_{\text{vl}} \mathcal{L}_{\text{vl}}$$

3.2 四阶段训练流程

图2:Qwen-VLA 训练流程

图2:Qwen-VLA 四阶段训练流程。Stage I(T2A):冻结 VLM,仅用文本和本体提示训练 DiT 动作解码器——学习语言到动作的"解压缩"映射。Stage II(CPT):解冻两个模块,引入视觉观测,在异构数据混合上进行多模态继续预训练。Stage III(SFT):从 CPT 检查点分叉为多任务 SFT 和真机 SFT 两条路线。Stage IV(RL):在单一仿真环境(SimplerEnv)中用 PPO + 稀疏成功奖励进行强化学习,优化闭环任务成功率。

Stage I:Text-to-Action DiT Pretraining(T2A)

这是本文最具特色的设计。核心思路来自一个"压缩"视角:

T2A 的做法:冻结 VLM,只用文本和本体提示训练 DiT,刻意不喂图像。让解码器学会纯粹的"语言→动作"解压缩映射:

这样一来,后续的多模态训练可以把全部容量用于"将已有的动作先验与视觉观测对齐",而不是从零开始学动作生成。

Stage II:Continued Pretraining(CPT)

解冻 VLM + DiT,在所有异构数据混合上训练。这一步的关键作用是:

CPT 后产出 Qwen-VLA-Base。

Stage III:Supervised Fine-Tuning(SFT)

分两条线:

  1. 多任务 SFT:在 VQA、空间定位、操作、导航等任务上联合微调,用本体平衡和任务平衡采样
  2. 真机 SFT:在内部遥操作数据上微调,验证 CPT 的跨域先验能否迁移到物理硬件

Stage IV:Reinforcement Learning(RL)

使用 PPO + GAE,仅在 SimplrEnv 中收集 rollout,用稀疏二元成功奖励($R=1$ 成功 / $R=0$ 失败)。

几个关键设计:

RL 后产出 Qwen-VLA-Instruct。


四、预训练数据

图3:合成仿真数据示例

图3:通过 RoboInF 生成的合成仿真数据示例。上图:短视距任务——"将两个绿色订书机并排放置",包含抓取、搬运、放置的紧凑序列。下图:长视距任务——"将饮料归拢到一起,清洁海绵单独放置",需要依次操作多个物体。每个完整轨迹还被自动分割为子任务轨迹,提供多时间粒度的监督信号。

预训练数据混合涵盖 8 个数据族,按采样权重排序:

数据来源 占比 说明
机器人操作轨迹 74.2% 公开数据集(RobotSet, DROID, BridgeData V2, RT-1 等)+ 内部 1000+ 小时遥操作数据
导航轨迹 7.5% 指令跟随(4.3%)+ 物体搜索(2.3%)+ 目标跟踪(1.0%)
人类自我中心轨迹 6.0% Ego4D, EPIC-KITCHENS, EgoDex, EgoVerse, Xperience
合成仿真轨迹 3.7% RoboInF 生成的视觉-语言-动作数据 + 语言-动作数据(>8M 轨迹)
通用视觉-语言数据 3.4% Captioning, VQA, OCR, 空间关系预测等
空间定位(2D) 2.5% 2D 边界框定位,强化物体级空间理解
自动驾驶 VQA 2.4% LingoQA, nuScenes-QA, DriveLM 等
细粒度具身动作描述 0.2% 48K 视频-描述对,13 维标注

人类自我中心数据的特殊处理:手部动作表示为双手腕部 SE(3) 变换 + eigengrasp(PCA 降维到 10 维),总计每步 32 维。

合成数据的两类:


五、实验与结果

5.1 仿真操作结果

方法 类型 LIBERO RoboCasa-GR1 Simpler-WidowX RoboTwin-Easy RoboTwin-Hard
π₀ 专家 94.4 — — 65.9 58.4
StarVLA-OFT 专家 96.6 48.8 64.6 50.4 —
GR00T N1.6 专家 97.2 49.9 63.2 47.6 —
π₀.₅ 专家 97.6 37.0 46.9 82.7 76.8
ABot-M0 专家 98.6 58.3 — 86.0 85.0
Being-H0.5 专家 97.6 53.3 — — —
Qwen-VLA-Base 通用 90.8 40.4 64.3 64.3 66.4
Qwen-VLA-Instruct 通用 97.9 56.7 73.7 86.1 87.2

关键发现:

  1. One model beats most specialists:单个通用模型超越大多数专家模型。RoboTwin-Easy/Hard 上甚至超越所有专家(86.1%/87.2%)
  2. 预训练提供强基础:Base 模型已具备不错的性能(LIBERO 90.8%),说明大规模预训练学到了可迁移的操作原语
  3. SFT + RL 带来显著提升:Instruct 相比 Base 在所有 benchmark 上平均提升 10+ 个百分点

5.2 真机操作结果(ALOHA 双臂平台)

图4:ALOHA 真机评估任务概览

图4:ALOHA 双臂平台上的真机评估任务概览。涵盖 6 个分布内任务类别(抓取放置、桌面清理、碗叠放、碗取物放置、毛巾折叠、精细操作)和 5 个分布外泛化维度(颜色泛化、实例泛化、位置泛化、背景泛化、指令泛化),测试模型在不同难度和泛化要求下的综合表现。

分布内任务结果(success rate %):

模型 短视距任务 长视距任务 平均
Pick&Place Table Clean Bowl Stack Bowl P&P Towel Fold Fine-grained
GR00T N1.6 30.8 38.5 53.8 19.2 19.2 10.3 28.6
π₀.₅ 73.1 84.6 88.5 69.2 80.8 33.3 71.6
Qwen-VLA-aloha(无预训练) 30.8 53.8 61.5 64.1 50.0 30.8 48.5
Qwen-VLA-aloha(有预训练) 96.2 92.3 98.7 87.2 65.4 61.5 83.6

分布外泛化结果:

模型 颜色 实例 位置 背景 指令 平均 OOD
GR00T N1.6 46.2 38.5 3.8 19.2 19.2 25.4
π₀.₅ 57.7 61.5 19.2 26.9 42.3 41.5
Qwen-VLA-aloha(无预训练) 42.3 30.8 34.6 30.8 42.3 36.2
Qwen-VLA-aloha(有预训练) 88.5 76.9 53.8 80.8 84.6 76.9

有预训练 vs 无预训练的 OOD 平均差距高达 40.7 个百分点——预训练对泛化能力的贡献远大于架构本身。

图5:Qwen-VLA-Base 在 ALOHA 上的定性 OOD 泛化

图5:Qwen-VLA-Base 在 ALOHA 双臂机器人上的定性分布外泛化结果。左上:颜色条件抓取(绿/蓝/红/黄色球),模型正确识别目标颜色并生成准确轨迹。右上:上两格为未见物体抓取(西兰花、玩具鸭),下两格为组合任务"清理桌面"——依次捡起蓝伞、玩具鸭、瓶装酸奶放入收纳盒。左下:与完全未见物体交互(太阳镜、毛绒玩偶、玩具鸭),"approach" 动作本身也几乎不在操作数据中出现。右下:在未见过的黄色背景前完成拔笔帽并放置笔帽的两阶段精细操作,背景不变性表明模型关注任务相关物体而非背景。

5.3 导航结果(VLN-CE)

方法 R2R Val-Unseen RxR Val-Unseen
NE↓ OS↑ SR↑ SPL↑ NE↓ SR↑ SPL↑ nDTW↑
NaVid 5.7 49.2 41.9 36.5 5.7 45.7 38.2 —
StreamVLN 5.0 64.2 56.9 51.9 6.2 52.9 46.0 61.9
Qwen-VLA-Base 5.2 61.7 53.8 49.4 6.4 55.1 45.8 56.2
Qwen-VLA-Instruct 5.1 69.0 57.5 51.2 5.8 59.6 47.8 57.1

Instruct 在 R2R 和 RxR 的大多数指标上达到最优,尤其是 Oracle Success(69.0)和 Success Rate(57.5/59.6),表明 VLA + VLN 联合训练没有牺牲单任务性能。

5.4 分布外泛化

静态 OOD(SimplerEnv-OOD):模型仅在 Bridge 数据集(简单 pick-place)上微调,评估 6 个未见任务类型(位置泛化、区域约束、颜色推理倒序)。Qwen-VLA-Instruct 平均 SR 32.0%,π₀.₅ 仅 12.6%。

动态操作 OOD(DOMINO,零样本):

方法 SR (%)↑ MS↑
动态操作数据微调的模型
π₀.₅(微调) 9.6 26.2
PUMA(微调) 17.2 35.0
零样本到动态操作
π₀.₅(零样本) 7.5 20.4
LingBot-VA 24.1 36.1
Qwen-VLA-Base 21.1 37.4
Qwen-VLA-Instruct 26.6 39.5

Qwen-VLA-Instruct 在零样本条件下超越所有动态微调的基线模型,比 PUMA(专门在 DOMINO 上微调并使用时序运动输入)高出 9.4 个百分点的 SR。模型仅使用当前帧观测,没有任何动态操作微调——证明了统一动作-轨迹预训练学到的可迁移空间-运动先验。

5.5 后训练阶段消融

阶段 Simpler RoboCasa RoboTwin-E RoboTwin-H LIBERO SimplerOOD DOMINO SR DOMINO MS
CPT(Base) 64.3 40.4 64.3 66.4 90.8 25.3 21.1 37.4
+ SFT 70.8 56.0 86.3 87.1 97.8 31.6 25.7 39.1
+ RL(Instruct) 73.7 56.7 86.1 87.2 97.9 32.0 26.6 39.5

RL 仅在 SimplrEnv 中收集 rollout,其收益却泛化到了其他未参与 RL 训练的 benchmark(RoboCasa +0.7, DOMINO SR +0.9)——证明"闭环优化任务成功率"学到的是可迁移的决策质量提升。

5.6 T2A 预训练消融

图6:T2A 预训练消融实验

图6:T2A 预训练阶段的三组消融实验(均在 Simplr-WidowX 上以 SFT 后成功率评估)。

子图 (a) 数据组成与预测模式: 横轴为 T2A 语料中合成数据(Syn)的比例(0%~100%),纵轴为 SFT 后 SR。三条曲线对比三种设置:

子图 (b) 流匹配时间步分布: 对比 T2A 和 SFT 阶段使用 Beta vs Sigmoid-Normal 时间步分布的四种组合:

子图 (c) T2A 训练步数: 横轴为 T2A 步数(对数尺度),纵轴为 SFT 后 SR:

5.7 VL 联合训练消融

图7:视觉-语言联合训练消融

图7:视觉-语言协同训练消融实验。

子图 (a) VL 数据对动作学习的影响: 在四个 benchmark 上对比"纯动作训练"(VLA-Only)和"动作+VL 数据联合训练"(VL+VLA):

子图 (b) 预训练 DiT 的可迁移性: 横轴为训练步数,纵轴为 RoboCasa-GR1 上的 SFT 成功率:

5.8 其他消融

多本体投影设计:Multi-MLP / Concatenation / Zero-Padding 三种设计在 Bridge 和 RoboCasa 上性能差异 <1.2 个百分点。采用 Zero-Padding 因为参数最少。

状态条件(State Conditioning):在 RoboTwin-2.0 上对比无状态 / VLM prompt 中注入 / DiT 中注入三种策略,性能差异 <1.3 个百分点。原因是多视角观测已经提供了足够本体信息,而 DiT 预测相对位移而非绝对位姿。最终默认不用 proprioceptive state。


六、关键洞察与技术亮点

  1. 语言是动作的压缩表示:T2A 阶段的核心洞察——语言指令承载了紧密的任务意图,动作轨迹是它的解压缩结果。让 DiT 先在"无视觉"条件下学语言→动作映射,再引入视觉做接地,比从零联合训练更高效、更稳定。

  2. Embodiment Prompt 是唯一接口:不靠多套输出头、不靠本体专用编码器,只用一段文本描述来区分不同机器人——这是实现"一个模型适配所有本体"的最简方案。

  3. RL 只在单环境做就够了:在 SimplrEnv 上做 RL 的收益居然能泛化到 RoboCasa、RoboTwin、DOMINO 等完全不同的环境——说明 RL 优化的是"果断执行"和"复合误差恢复"等跨域通用能力。

  4. VL 数据不是干扰而是助力:在简单任务上与纯动作训练持平,在复杂任务上显著提升——视觉-语言监督帮助模型保持细粒度物体识别和组合指令解析能力。

  5. 合成数据的高效配方:~20% 合成 + 80% 真实是最优混合——合成数据拓宽覆盖,真实数据锚定物理合理性。纯合成过拟合理想化运动学,纯真实覆盖不足。

  6. Flow-matching 的时序分布有讲究:Sigmoid-Normal(峰值在中间噪声水平)适合 T2A 的无视觉场景,Beta(更均匀)适合有 VLM 条件时的 CPT/SFT。


七、局限性

  1. 具身动作数据规模远小于 VL 预训练数据:对长尾物体、环境、本体和接触密集型交互的鲁棒性仍然有限
  2. 联合训练存在优化权衡:动作导向的训练会轻度损害纯 VL 和导航评估,需要更好的目标平衡和数据课程
  3. 当前评估仍偏短视距、benchmark 驱动:长时间、易失败的真实世界部署仍是开放挑战
  4. 模型基于 Qwen3.5-4B:虽然 4B 是出于推理延迟的务实选择,但与更大 backbone 的 scaling 效应尚未探索

八、关键概念速查

概念 说明
VLA(Vision-Language-Action) 从视觉+语言输入直接预测机器人动作的模型范式
DiT(Diffusion Transformer) 用 Transformer 架构实现扩散/流匹配生成,常用于高维连续信号建模
Flow Matching 通过学习速度场来建模概率路径的生成方法,推理时用 ODE/SDE 积分
T2A(Text-to-Action) 本文提出的预训练阶段:无需图像,只用文本训练动作解码器
Embodiment-Aware Prompt 用文本描述区分不同机器人平台和控制约定,避免架构修改
Eigengrasp 对手部关节 PCA 降维后的低维系数,捕获手部姿态变化的主要模式
CPT(Continued Pretraining) 在异构具身数据上解冻全部模块继续预训练
VLN-CE Vision-and-Language Navigation in Continuous Environments
DOMINO 动态物体操作 benchmark,测试对独立运动物体的操作能力
Zero-Padding 将短动作向量补零到统一最大维度,用掩码排除填充位