Geometric Action Model for Robot Policy Learning

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论文信息 - 作者:Jisang Han*、Seonghu Jeon*、Jaewoo Jung、René Zurbrügg、Honggyu An、Tifanny Portela、Marco Hutter、Marc Pollefeys、Seungryong Kim†、Sunghwan Hong† - 通讯作者:Seungryong Kim(KAIST AI)、Sunghwan Hong(ETH AI Center) - 机构:KAIST AI / ETH Zurich / ETH AI Center - 投稿方向:CoRL 2026(投稿中,under review) - arXiv ID:2606.17046v1 - 项目主页:https://cvlab-kaist.github.io/Geometric-Action-Model/

本文基于以下本地材料整理:

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一、核心问题

机器人操作策略需要同时理解语言指令、视觉外观、3D 场景几何、机器人状态和物理动力学。现有两类主流方法各有根本缺陷:

已有工作尝试将几何基础模型(GFM)引入 VLA(Spatial Forcing、ROCKET),但只是把 GFM 当作静态特征提取器或蒸馏信号来源——GFM 的多层几何结构从未被真正用作策略自身的时序和动作生成主干。

核心问题:能否将预训练的几何基础模型(GFM)整体重用为机器人策略的感知-预测-解码共享骨干,同时获得 3D 几何先验、世界模型时序建模和高效推理三者?


二、核心思路 / 方法

2.1 整体设计直觉

图1:GAM 总览与量化结果

图1:GAM 整体设计与性能总览,左右两栏分别展示系统架构和核心量化结果。

左栏 (a) Overall Pipeline of Geometric Action Model: 多视图 RGB 图像(上下两张,对应不同时刻 t=0、t=1)输入 GFM Shallow Layers,提取几何特征后送入 Causal Future Predictor。该 Predictor 同时接收三类输入——Previous Action(前序动作,机器人臂形图标)、Language Instruction(语言指令,气泡图标)、Current Feature(当前几何 latent,方块图标),并联合预测两类输出:Next Action(下一步动作 token)和 Future Feature(未来几何 latent)。Future Feature 随后经 GFM 深层解码为右侧的 3D Reconstruction(点云重建,展示真实桌面场景)。右下的折线图显示 action chunk 的时序结构——横轴 t 到 t+7 表示预测的 8 步动作序列,纵轴代表各维度动作幅度,不同颜色线条对应不同动作自由度。这一管线的关键特征是:所有计算在单一 GFM 骨干内一次前向传播完成,无需独立的世界模型或扩散采样。

右栏 (b) Quantitative Results: 分两部分。上方气泡散点图横轴为推理延迟(ms,X 轴从右到左递减,即越靠右越快),纵轴为 LIBERO-Plus Camera 扰动成功率(%),气泡大小对应模型参数量(7B / 3B / 1B 三种尺寸标注在图例)。GAM(深蓝实心圆,位于右上角)同时达到最高 Camera 成功率(约 83%)和最低延迟(约 7ms),在所有方法中独占"快且好"的区域;Cosmos Policy(左侧大灰泡)延迟超过 400ms,π₀.₅(中间位置)延迟约 30ms 但成功率低于 GAM。下方柱状图为真实机器人实验 ID vs. OOD 成功率对比,三种方法(蓝色=GAM、黄色=π₀.₅、灰色=Spatial Forcing)各评估正常相机(In-distribution)和扰动相机(Perturbed)两种条件。GAM 在 ID/OOD 分别达到 65%/52.5%,π₀.₅ 为 55%/30%,Spatial Forcing 为 35%/22.5%——GAM 在 OOD 条件下的优势(52.5% vs. 30%)尤为突出,说明几何先验在相机视角偏移时提供了真实的鲁棒性收益。

2.2 方法对比:三种范式

图2:三种范式对比

图2:现有机器人策略三种主流范式的架构对比,从左到右依次是 Video WAMs、Geometry-aware VLAs 和 GAM(本文)。

子图 (a) Video WAMs(如 Cosmos Policy、MIMIC):数据流为 RGBs → Encoder → Video Diffusion Model → 同时输出 Future Latent 和 Action → Decoder → Future RGBs。Video Diffusion Model 在 VAE 2D latent 空间中联合建模未来帧和动作,预测时需多步去噪(Cosmos Policy 需约 382ms)。核心局限:整个处理管线停留在 2D 像素空间,深度、遮挡和尺度信息只能靠模型隐式学习,对相机视角变化本质上不鲁棒。

子图 (b) Geometry-aware VLAs(如 Spatial Forcing、ROCKET):数据流为 RGBs → 两路并行——上路 Encoder → Vision-Language Model 输出 Action;下路同一 RGBs → Geometric Foundation Model,以蒸馏(Distillation)方式将 GFM 特征注入 VLM 的中间表示。GFM 在这一范式中是旁路信号提供者,不参与预测计算通路。问题在于 VLM 才是真正的时序和动作解码主干,GFM 的多层几何结构从未被直接用于预测——实验证明 Spatial Forcing 在 Camera 扰动下成功率崩溃至 0.1%,说明浅层蒸馏无法传递完整的 3D 几何理解。

子图 (c) GAM(本文):数据流完全不同——RGBs 直接进入 GFM Shallow Layers 提取几何 latent,接着 Instruction + Action tokens 与几何 latent 一起送入 Causal Future Predictor(深紫色大块,位于 GFM 中间),同时预测 Future feature 和 Action token,两者再经 GFM Deep Layers 统一解码,分别由 DPT Head 输出 Future Geo.(未来几何)和 Action Head 输出最终 Action。关键区别:GFM 既是感知编码器,也是世界模型的解码器,预测直接在 GFM 的几何表示空间中进行,一次前向传播完成所有计算。这解释了为何 GAM 在 Camera 扰动下成功率高出第二名 9.7%p——几何理解不是事后附加的,而是贯穿整个预测过程的。

2.3 GAM 架构详解

图3:GAM 主架构

图3:GAM 完整架构图,左栏展示三阶段处理管线(Observation Encoding → Causal Future Predictor → Feature Propagation & Action Decoding),右栏展示 Block-Causal Attention Mask 的具体设计。

左图 (a) Geometric Action Model Pipeline:

图中以两个时步(t=0、t=1)为例说明时序处理流程:

右图 (b) Block-Causal Attention Mask:

横轴(Key)为被注意的 token 序列:语言 $\mathbf{L}_\ell$,以及时步 block $\mathbf{U}_0$、$\mathbf{U}_1$、$\mathbf{U}_2$;纵轴(Query)同序。黄色填充格(w/ Attention)表示允许注意,灰色虚线格(w/o Attention)表示被 mask。规则为:语言 token $\mathbf{L}_\ell$ 对所有时步可见(第一行全黄);$\mathbf{U}_0$ 只能注意 $\mathbf{L}_\ell$ 和自身 $\mathbf{U}_0$(第二行前两列黄,后两列灰);$\mathbf{U}_1$ 能注意 $\mathbf{L}_\ell$、$\mathbf{U}_0$、$\mathbf{U}_1$(前三列黄),但看不到 $\mathbf{U}_2$;以此类推。这一 block-causal 设计保证当前时步的预测不依赖未来时步的观测,同时允许语言指令全局广播到所有时步——与 π₀ 原始设计一致,是让单次前向传播处理多时步历史的核心机制。

2.4 数学形式

问题形式化:给定 H 帧历史观测 $o_{t-H+1:t}$、本体感觉状态 $s_{t-H+1:t}$、动作历史 $a_{t-H:t-1}$ 和语言指令 $\ell$,学习策略:

$$\pi_\theta\colon\big(\{o_{t-H+1}, \ldots, o_t\},\, \{s_{t-H+1}, \ldots, s_t\},\, \{a_{t-H}, \ldots, a_{t-1}\},\, \ell\big)\mapsto\hat a_t$$

其中 $\hat{a}_t \in \mathbb{R}^{C \times d_a}$ 为长度 $C=8$ 的动作 chunk,$d_a=7$(7 自由度 end-effector delta-pose:3 平移 + 3 旋转 + 1 夹爪)。这里明确用了 action chunk 而非单步动作,是为了让策略开环执行 8 步后再重新观测,减少推理频率需求(配合 145Hz 的推理速度,8 步 chunk 实际执行控制频率约 18Hz)。

GFM 分割:

$$E_{\leq L_s} = f^{(L_s)} \circ \cdots \circ f^{(1)}, \qquad D_{>L_s} = f^{(M)} \circ \cdots \circ f^{(L_s+1)}$$

将 $M$ 层的 GFM 在第 $L_s$ 层切开,浅层 $E_{\leq L_s}$ 做观测编码,深层 $D_{>L_s}$ 做解码。$L_s$ 的选取有两个约束:(1)$L_s$ 要足够深——浅层特征语义不足,在 $L_s=0$ 时直接崩溃(Orig 5.4%,Plus 1.8%);(2)$L_s < m_1$,即浅于 DPT 深度解码头使用的最早特征层,保证 Predictor 预测的未来 latent 仍能被 DPT head 正确解码为深度图。实验确认 $L_s=12$ 最优,恰好是 DA3-Giant 中 frame-wise attention 切换为 global attention 的边界——此处特征既有足够几何语义,又留下足够多深层供解码。

Causal Future Predictor 的输入构造:

$$\mathbf{p}_{t'} = \psi_s(s_{t'}), \quad \mathbf{q}_{t'} = \psi_a(a_{t'-1}), \quad \mathbf{U}_{t'}=[\mathbf{p}_{t'};\mathbf{q}_{t'};\mathbf{Z}_{t'}^{(L_s)}]$$
$$\mathbf{X} = [\mathbf{L}_\ell;\; \mathbf{U}_{t-H+1};\; \ldots;\; \mathbf{U}_t]$$

逐项解读:

Feature Propagation:

$$\tilde{\mathbf{Z}}_{t'+1}^{(M)} = D_{>L_s}\!\Big(\Big[\big[\tilde{\mathbf{Z}}_{1,t'+1}^{(L_s)};\, \tilde{\mathbf{a}}_{1,t'}\big], \ldots, \big[\tilde{\mathbf{Z}}_{V,t'+1}^{(L_s)};\, \tilde{\mathbf{a}}_{V,t'}\big]\Big]\Big)$$

Predictor 输出预测的未来几何 latent $\tilde{\mathbf{Z}}_{t'+1}^{(L_s)}$ 和动作 token $\tilde{\mathbf{a}}_{t'} \in \mathbb{R}^d$。动作 token 被复制 $V$ 份,拼接到每个视角的几何 token 序列末尾,再一起经过 GFM 深层 $D_{>L_s}$。这一设计的意义是:动作 token 在 GFM 深层的 global attention 中能与全部几何 patch token 交互,让几何解码和动作精化共享同一套计算,而不是用两个独立头分别处理。同时,深层的因果 mask 延伸到这里,防止跨时步的信息泄漏。最终从 $\tilde{\mathbf{Z}}_{t'+1}^{(M)}$ 中取出各视角对应的动作 token slot,经 Action Head(轻量 MLP)聚合输出动作 chunk $\hat{a}_{t'}$;DPT Head 从多个中间层 $\tilde{\mathbf{Z}}_{t'+1}^{(m^*)}$ 解码出像素级未来深度图。


三、训练目标

$$\mathcal{L}_{\text{total}} = \lambda_{\text{act}} \mathcal{L}_{\text{act}} + \lambda_{\text{feat}} \mathcal{L}_{\text{feat}} + \lambda_{\text{depth}} \mathcal{L}_{\text{depth}}$$

三项损失的权重为 $\lambda_{\text{act}}=3$、$\lambda_{\text{feat}}=1$、$\lambda_{\text{depth}}=3$。

损失项 含义 公式/说明
$\mathcal{L}_{\text{act}}$ 动作回归损失 预测动作 chunk $\hat{a}_{t'}$ 与专家动作 $a_{t'}$ 的 $\ell_1$ 距离,对上下文窗口内所有时刻求和
$\mathcal{L}_{\text{feat}}$ 未来特征预测损失 $\sum_{t'\in\mathcal{H}} \|\tilde{\mathbf{Z}}_{t'+1}^{(L_s)} - \mathbf{Z}_{t'+1}^{(L_s)}\|_1$,将预测的未来 latent 对齐到冻结 GFM 编码的真实下一帧 latent
$\mathcal{L}_{\text{depth}}$ 未来深度预测损失 DPT head 解码的预测未来深度图 $\tilde{D}_{t'+1}$ 与 GT 未来深度 $D_{t'+1}$ 之间的 scale-invariant + gradient-matching 损失(继承 GFM 原始深度损失)

直觉:$\mathcal{L}_{\text{feat}}$ 迫使预测器学习几何时序转移("世界将如何变化");$\mathcal{L}_{\text{depth}}$ 进一步将预测锚定到有效 3D 结构,防止 latent 预测漂移到无意义空间。


四、实验与结果

4.1 实现细节

组件 配置
GFM 主干 DA3-Giant(在 Track4World 上微调)
分割层 $L_s=12$(帧内注意力切换为全局注意力的边界)
因果预测器 12 层 Transformer,宽度 $d_g=1024$
语言编码器 frozen T5
上下文窗口 预训练 $H=4$,后训练 $H=1$
动作 chunk 长度 $C=8$,$d_a=7$(7DoF end-effector)
本体感觉维度 $d_s=7$
总参数量 1.4B(可训练 983.2M)
预训练数据 784K 轨迹(OXE 72% + MimicGen 18% + RoboCasa365 10%)
预训练算力 64× GH200,~96h
后训练算力 16× GH200,~48h

4.2 主实验:LIBERO & LIBERO-Plus

LIBERO-Plus 在标准 LIBERO 训练集上训练,零样本评估 7 种扰动(相机视角、机器人初始位置、语言改写、光照、背景、传感器噪声、场景布局)。

方法 规模 Orig. Plus Cam. Robot Lang. Light BG Noise Layout
π₀.₅ 3.3B 96.9 84.6 72.0 76.6 86.5 96.1 95.2 86.7 86.0
OpenVLA-OFT 7B 97.1 69.6 56.4 31.9 79.5 88.7 93.3 75.8 74.3
π₀ 3.3B 91.3 69.3 61.0 40.8 63.7 89.3 84.1 80.1 75.9
Cosmos-Policy 2B 98.5 82.4 73.4 63.3 89.3 98.9 83.5 89.3 84.0
π₀.₅ + Spatial Forcing 3.3B 94.0 25.7 0.1 0.3 26.8 66.0 45.9 0.1 59.8
π₀.₅ + ROCKET 3.3B 95.3 47.5 30.9 75.6 29.3 69.2 47.0 25.4 62.0
GAM(Ours) 1.4B 97.6 🥇85.5 🥇83.1 🥈70.0 🥉84.8 🥈97.2 🥈94.3 🥇95.3 🥉79.1

关键发现:GAM 在 LIBERO-Plus 整体成功率(85.5%)上超越所有对手,在 Camera 扰动上以 83.1% 高出第二名(Cosmos Policy 73.4%)整整 +9.7%p。尽管 Geometry-aware VLA 方法理论上也利用了 GFM,但 Spatial Forcing 在 Camera 扰动下几近崩溃(0.1%),ROCKET 也仅 30.9%——说明"蒸馏"式使用 GFM 远不如 GAM 的"重用"式使用。

4.3 推理效率

方法 规模 延迟
Cosmos Policy 2B 382.4ms
OpenVLA-OFT 7B 77.8ms
π₀.₅ 3.3B 29.2ms
GAM(Ours) 1.4B 6.9ms(≈145Hz)

GAM 使用 CUDA Graphs 加速后达到 6.9ms,是 Cosmos Policy 的 55× 加速。原因:GAM 是单次前向传播,无需扩散多步去噪,且通过 KV 缓存在线维护历史上下文(推理时每步只处理最新一帧)。

4.4 真实机器人实验

图4:真实机器人四任务结果

图4:真实机器人实验全景,左侧为四任务定量成功率柱状图,右侧为四任务执行流程的定性快照。

左图:成功率柱状图。 横轴为四个任务名称,纵轴为成功率(%)。每个任务三组柱形对应三种方法(蓝紫=GAM、黄色=π₀.₅、灰色=Spatial Forcing),每组柱形内浅色为 ID(正常相机,10 trials)、深色为 OOD(外部相机平移 85cm + 旋转 45°,10 trials)。

逐任务分析:

右图:四任务执行流程快照。 四张图像分别对应 Task 1~4,每张图展示机器人执行关键步骤,用①②③等序号标注动作顺序。硬件为配备 ZED 腕部相机和 RealSense 外部相机的 Franka 机械臂,实验台上摆放任务相关物品(碗/方块/牛奶盒/锅具等)。

真实机器人结果的整体规律:GAM 在 OOD 下始终优于所有基线,尤其在需要精准空间对准的 Stack 和 Insert 任务上优势最大——这直接对应 GAM 预测管线中深度信息的利用,而非仅靠 2D 外观匹配。


五、关键洞察与技术亮点

5.1 消融实验

组件消融(LIBERO-Object suite):

预训练 $\mathcal{L}_{\text{depth}}$ $\mathcal{L}_{\text{feat}}$ H Orig. SR (%) Plus SR (%)
✓ ✓ ✓ 1 99.6 89.7
✓ ✓ ✓ 2 97.2 84.4
✓ ✓ ✓ 4 98.2 85.1
✓ ✗ ✓ 1 98.4 89.0
✓ ✗ ✗ 1 98.6 89.5
✓ ✓ ✗ 1 99.6 89.7
✗ ✓ ✓ 1 98.4 73.4
✗ ✗ ✓ 1 95.2 66.5
✗ ✓ ✗ 1 96.4 80.0
✗ ✗ ✗ 1 93.6 50.0

洞察:

  1. 预训练是最关键因素:去掉预训练后 LIBERO-Plus 从 89.7% 崩溃到最低 50%(-39.7%p),而 LIBERO Orig. 只轻微下降——说明预训练主要贡献鲁棒性,而非基本任务能力。
  2. 几何监督($\mathcal{L}_{\text{depth}}$/$\mathcal{L}_{\text{feat}}$)在无预训练时作用显著:无预训练 + 只加 $\mathcal{L}_{\text{depth}}$ 可将 LIBERO-Plus 从 50% 提升到 80%——说明即使无法用大规模预训练,未来几何预测作为辅助监督本身就有强正则效果。
  3. 上下文长度 H=1 最优:更长历史(H=2/4)反而降低鲁棒性,与先前研究一致——历史上下文引入虚假相关性。

Split Layer 消融:

Split layer $L_s$ Orig. (%) Plus (%)
0 5.4 1.8
12 99.6 70.1
19 95.6 63.4
27 1.2 1.6
33 0.0 0.0
39 0.0 0.0

$L_s=12$ 恰好是 GFM 中帧内注意力(frame-wise attention)与全局注意力(global attention)交替的边界。插入太早($L_s=0$)或太晚($L_s\geq27$)均导致完全崩溃——预测的 tokens 需要经过足够多的深层 GFM blocks 才能被正确整合进预训练的 3D 几何先验。

5.2 相机扰动难度曲线

图5:不同难度等级下的相机鲁棒性

图5:LIBERO-Plus 相机扰动难度分级下的成功率曲线,横轴为扰动难度等级 L1→L5(L1 最轻微,L5 最严峻),纵轴为成功率(%,基于 LIBERO Camera 扰动子集)。对比四种方法:GAM(深蓝虚线)、π₀.₅(浅紫线)、Cosmos Policy(深灰线)、ROCKET(浅灰线)。

关键观察逐级分析:

核心结论:GAM 的下降曲线斜率在所有方法中最平缓,说明其 3D 几何先验提供的是真正的视角不变性,而非依赖训练分布的纹理相关性。特别是与 ROCKET(也使用了 GFM 特征)的巨大差距,直接证明了"把 GFM 嵌入预测通路"(GAM)远优于"从外部蒸馏 GFM 特征"(ROCKET)。

5.3 未来深度图预测可视化


LIBERO-Spatial:bowl from table center to plate

LIBERO-Object:tomato sauce to basket

LIBERO-Long:cream cheese and butter to basket

LIBERO-Goal:wine bottle on cabinet

图6:GAM 预测的未来深度图可视化,覆盖 LIBERO 四个任务 suite 的代表性任务,每张子图内部均为四行五列布局(T=0/2/4/7/9 五个时步)。

四行结构说明(以左上 LIBERO-Spatial 为例):

对比第三行与第四行(最关键): 在所有四个 suite 的所有时步中,Pred Future 与 GT Future 的深度图结构高度一致——机器人末端运动方向预测正确(蓝色近端区域的位移方向)、物体被抓起后消失于桌面的深度跃变准确捕捉。这直接证明 Causal Future Predictor 学到了真实的几何时序动态,而非仅复制当前帧或产生随机噪声。

四个 suite 任务差异:

5.4 注意力可视化

图7:Action token 在不同 GFM 层的注意力热图

图7:action token 对视觉区域的注意力热图可视化(热图叠加在 RGB 帧上),展示任务 "Pick up the black bowl → Place it on the plate" 在 t=1/3/6/7/9 共 5 个时步、GFM Layer 13/26/33/39 共 4 层的组合(4 行×10 列,每时步 2 张视角)。红/黄=高注意力区域,蓝=低注意力区域。

逐层分析(按行):

横向对比(按列,关注任务阶段转换): t=1~6 为"拾取 bowl"阶段,所有层的热点主要落在 bowl;t=7~9 为"放置到 plate"阶段,热点系统性地转移到 plate。这种注意力的阶段性迁移不需要人工编程,完全由 GAM 从数据中学到——说明 GFM 深层的 action token 通过 feature propagation 获得了任务感知的动态注意力,是几何-动作联合建模的直接体现。

这组可视化与 split layer 消融($L_s=12$ 最优)相互印证:中层(Layer 13-26)保留了足够的对象级空间结构,深层(Layer 33-39)负责 action token 的进一步精化,二者缺一不可——过早插入 predictor($L_s=0$)没有几何特征可用,过晚插入($L_s\geq27$)则预测的 future token 没有足够深层可解码。


六、局限性

  1. 语言推理能力受限于冻结 T5 编码器:GAM 的语言指令处理仅靠 T5 frozen 特征,缺乏大语言模型的常识推理和多步规划能力。集成外部推理模块或 LLM 是自然的下一步。
  2. 真实场景深度监督依赖伪标签:真实机器人实验中无法获取 GT 深度,只能用预训练 GFM 自身的输出作为 pseudo-label,存在 self-training 偏差。
  3. 未探索更大规模 GFM:现有实验基于 DA3-Giant(1.4B),更大 GFM 在数据/模型 scaling 下的表现未知。
  4. 多视角数量固定:当前固定为 2 个视角(外部相机 + 腕部相机),动态数量视角下的泛化性未测试。

七、关键概念速查

术语 解释
GFM(Geometric Foundation Model) 从多视图 RGB 估计稠密 3D 几何的前馈 Transformer,如 VGGT、DA3
DA3-Giant Depth Anything v3 Giant,作为 GAM 主干的 GFM
Split layer $L_s$ GFM 被分割的中间层编号($L_s=12$),浅层做编码器,深层做解码器
Causal Future Predictor 插入 split layer 的 12 层因果 Transformer,预测未来几何 latent 和动作 token
Block-causal attention 时刻 block 之间的因果 mask,防止 future leakage
LIBERO-Plus 在 LIBERO 训练集上零样本评估 7 种场景扰动的鲁棒性基准
Action chunk 模型一次预测的未来 $C=8$ 步动作序列,开环执行后再观测
KV cache 推理时缓存历史 key-value,每步只处理新帧,实现 6.9ms 推理
DPT head Dense Prediction Transformer 解码头,将 GFM 多层特征融合为像素级深度图
Track4World 用于微调 DA3-Giant 的额外预训练数据集