微软研究:把物理 AI 推理卸载出机器人可提升任务表现与续航
Offloaded inference for real-world physical AI robotics
微软研究院对移动操作机器人负载做了首次系统性测量,发现仅依赖机载 GPU 推理会限制机器人性能、电池寿命与可扩展性。
微软对机器人负载的首次系统性测量显示,把推理从机载 GPU 卸载到边缘或云端可在成功率、模型规模与续航上同时获益。

概览
- 挑战机器人 AI 的一个核心假设:我们的研究表明,将物理 AI 推理完全放在机器人板载 GPU 上运行会限制机器人的性能、电池寿命和可扩展性,而将推理卸载到边缘或云端 GPU 则可带来显著优势。
- 展示推理卸载的可量化收益:在具有代表性的移动操作工作负载中,卸载提高了任务成功率,使更大规模的 AI 模型得以运行,并帮助机器人在动态的真实环境中更有效地响应。
- 延长机器人运行时间:用轻量级板载硬件加远程推理替代高功耗的板载 AI 计算,可大幅提升电池寿命,让机器人在两次充电之间运行更久。
- 在 Physical AI Toolchain 中引入一项新能力:开发者现在可以使用基于 Kubernetes 的工具,将机器人 AI 工作负载容器化、部署并编排到机器人、边缘基础设施和云端,实现分布式推理。
随时可用的物理 AI——由机器人辅助用户在制造、家庭和仓库场景中完成任务——在广泛的任务中具有提升安全性、生产力和辅助能力的巨大潜力。在许多方面,面向物理世界的 AI 代表着 AI 的一大前沿。物理 AI 必须在开放且不可预测的环境中运行,与机器人及人交互,并适配多种具身形态。实现这一愿景需要在三个维度上取得进展:机器人硬件、具身 AI 模型,以及用于训练和推理的系统基础设施。尽管近年来机器人硬件和 AI 模型发展迅速,我们将关注点转向一个相对较少被涉及的方面:物理 AI 的推理基础设施。要让机器人有效且安全地在物理世界中运行,需要复杂的系统来处理大量分布式推理计算。
如今,物理 AI 的主流做法是在机器人板载配置一块 GPU,例如将 GPU 连接到机器人上。在这种模式下,机器人的推理被限制在板载 GPU 上,由其为机器人提供执行任务所需的分块动作及其序列。虽然高层规划可能在云端完成,但任务执行通常仍与机器人自身绑定。我们挑战这一假设。 随着物理 AI 模型的规模和复杂度不断增长,板载计算的局限性日益明显。GPU 功耗显著,会缩短电池寿命、增加成本和重量,并可能限制运行最新一代 AI 模型的能力。
为了更好地理解物理 AI 在系统层面的影响,我们开展了首个针对机器人工作负载的系统性研究。我们聚焦于移动机器人操作,其典型任务如“检查厨房里是否有垃圾并将其放入垃圾桶”。此类任务涉及规划前往厨房的路径、感知环境以找到垃圾、导航到垃圾处、捡起垃圾,再导航回垃圾桶进行丢弃。我们评估了在三大核心能力上的代表性模型:语义建图与规划、导航和操作,如图 2 所示。

将物理 AI 推理从机器人中卸载出去,改善了其响应时间和准确性,同时延长了电池寿命并降低了成本。我们在多种机载、边缘和云算力配置下评估了推理模型。具体测试硬件的详情请见我们的技术报告。

任务性能方面的收益:我们的评估表明,卸载推理可以显著提升机器人在建图、规划、导航和操作等工作负载中的性能。一些较小的 GPU 无法容纳移动操作栈。在内存充足的 GPU 上,建图和规划相比 A100 最多减慢 383%,从而限制了机器人在动态空间中的能力。使用较轻量 GPU 时,导航对障碍物的及时检测能力下降了 30%。虽然 VLA 模型在较小 GPU 上并未大幅变慢,但速度的下降仍足以使其准确性下降 50%。换言之,机载 GPU 限制了机器人的性能,而将推理卸载到本地或云端 GPU 则可提升其运行表现,如下方视频所示,并在图表中量化呈现。随着物理 AI 模型的规模和复杂度不断增长,卸载带来的收益可能会更加显著。

电池寿命方面的收益:除了性能之外,机载 GPU 还会显著消耗机器人的电池寿命。我们通过将机载 GPU 替换为 Raspberry Pi-5 板卡并将所有数据发送到卸载 GPU,比较了电池寿命的提升。较大的机载 GPU(如 Jetson Thor)即使在较大的机器人上,也会使机器人电池消耗增加高达 160%(即几个小时)。

上述结果表明,将 GPU 推理从机器人中卸载出去,对于在开放世界中使用大模型并保持长电池寿命至关重要。尽管如此,将推理卸载出机器人涉及性能、网络延迟和带宽以及可用 GPU 资源之间的复杂权衡。我们相信我们的测量研究将为物理 AI 推理系统的设计提供参考。
自动卸载工具集
我们构建了一个工具集,可轻松将推理从机器人中卸载出去,并在边缘 GPU 和云端之间分配推理。Kubernetes 是提供统一抽象的自然平台,用于在机器人算力、边缘 GPU 之间分配机器人 AI,并溢出到云端。该工具集允许使用声明式规范自动容器化并卸载机器人工作负载,使用 Kubernetes 以智能策略分发物理 AI 容器,并与机器人模拟器、LeRobot 和 ROS2 集成以便于开发。下面的步骤序列展示了如何向该工具集提示要卸载的内容,以及它如何为 GPU 推理创建单独的容器并进行卸载。

Microsoft 最近发布了 Physical AI Toolchain(在新标签页中打开),用于大规模实现物理智能的运营化。Physical AI Toolchain 是一个开源、可投入生产的框架,它将 Microsoft Azure(在新标签页中打开) 云服务与 NVIDIA 的(在新标签页中打开) 物理 AI 技术栈集成在一起,加速机器人和物理 AI 开发者跨感知、移动、模仿学习和强化学习流水线,实现数据整理、增强和评估的自动化与规模化。我们宣布在 Physical AI Toolchain 中新增一项业界首创的能力,即为机器人提供卸载式物理 AI 推理。本次发布包含用于卸载 SO-101 和 UR10e 推理的示例项目。下面的视频展示了将Microsoft 的 Rho 模型(面向双臂机器人)的推理卸载到 Jetson Thor GPU,从而控制 Mobile Aloha 机器人(在新标签页中打开) 的动作。
查看推理卸载功能,研究源代码,并告诉我们你的反馈。我们已经用许多真实世界的用例对其进行了测试,期待听到你的部署经验。
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文章 面向真实世界物理 AI 机器人的卸载式推理 首次出现在 Microsoft Research。
来源:Microsoft Research · microsoft.com