研习BeamDojo，驾驭具身智能前沿技术！

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本书内容

《BeamDojo原理与应用实践:构建具身智能系统》围绕具身智能背景下的BeamDojo技术体系展开，系统解析其在场景图理解与机器人步态控制中的多维应用，内容覆盖理论原理、系统架构、训练机制、图结构建模、LLM协同设计、应用开发流程等关键模块，构建从基础认知到实战开发的一o'od体化知识框架。

《BeamDojo原理与应用实践:构建具身智能系统》共10章，前5章依次介绍BeamDojo的研究动机、强化学习核心理论、大语言模型结构、图推理基础及BeamDojo的模块原理，为读者打下系统性认知基础；第6、7章深入剖析结构化推理与BeamDojo-LLM互联机制，形成感知-推理-控制的完整闭环；第8章提供全流程部署与仿真训练指南，针对硬件平台实际适配；最后两章以场景图建模与机器人步态任务为实例，展示从模型构建到行为控制的应用开发路径。

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本书作者

徐奇伟，就职于重庆大学，博导。长期专注于包括特种电机的设计和控制、智能控制理论和机电系统的最优控制方法。近年来，致力于加速复杂机电系统的大规模模型训练和优化计算能力调度研究，旨在提高计算效率和资源利用率，推动大规模人工智能模型在复杂机电系统中的有效应用。

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本书读者

《BeamDojo原理与应用实践:构建具身智能系统》面向机器人研发人员、图神经网络研究者、LLM工程实践者及跨模态推理系统设计者，兼具理论深度与工程实用性，适用于研究机构的工程落地、前沿项目开发及具身智能系统教学场景。

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本书目录

目 录

第 1 章 概述1

1.1 跨模态认知智能1

1.1.1 从感知驱动到认知驱动1

1.1.2 Neuro-Symbolic融合模型4

1.1.3 具身智能与行为推理6

1.2 传统行为控制中的劣势分析10

1.2.1 MPC与微分规划：缺乏实时性10

1.2.2 基于轨迹规划：缺乏稳定性13

1.2.3 高自由度约束下的动作空间稀疏性14

1.3 BeamDojo框架的提出15

1.3.1 Polygon足部建模15

1.3.2 稀疏足点奖励的稀疏性问题17

1.3.3 高维动作空间的试错学习19

1.4 BeamDojo与其他技术路线的比较20

1.4.1 Quadruped强化控制与人形控制差异21

1.4.2 主流Sim2Real模型对比23

1.4.3 与PIM、RMA等代表性方法的对比分析28

1.5 本章小结29

第 2 章 强化学习原理基础30

2.1 马尔可夫决策过程30

2.1.1 状态空间与动作空间定义30

2.1.2 转移概率与折扣因子32

2.1.3 POMDP与部分可观测性建模33

2.2 强化学习中的策略优化34

2.2.1 Policy Gradient与Actor-Critic架构34

2.2.2 GAE架构36

2.2.3 PPO机制38

2.3 奖励函数设计与稀疏奖励问题40

2.3.1 稠密与稀疏奖励的权衡40

2.3.2 多维奖励融合策略41

2.3.3 时间信用分配问题解析41

2.4 强化学习在具身控制中的应用42

2.4.1 双值函数网络结构43

2.4.2 Curriculum Learning在环境中的设计44

2.4.3 Sim2Real中的Domain Randomization策略45

2.5 本章小结47

第 3 章 大语言模型与BeamDojo融合应用48

3.1 LLM基本架构与预训练机制48

3.1.1 Transformer结构回顾48

3.1.2 自回归语言建模机制51

3.1.3 大规模预训练语料与指令微调技术52

3.2 LLM中的知识对齐与上下文处理53

3.2.1 Prompt Engineering与Embedding Cache53

3.2.2 多轮上下文窗口的滑动机制55

3.2.3 Attention机制中的长序列建模优化56

3.3 多模态融合中的语言表示迁移57

3.3.1 Text-to-Graph嵌入映射方法57

3.3.2 多模态条件下的Representation Alignment59

3.3.3 LLM与视觉感知/图推理模块接口分析61

3.4 LLM在行为逻辑建模中的能力63

3.4.1 CoT推理结构63

3.4.2 ToT在策略规划中的应用65

3.4.3 LLM强化反馈回路（RLHF/CRAFT等）67

3.5 本章小结69

第 4 章 图结构知识建模与推理基础70

4.1 图神经网络原理70

4.1.1 图的表示方法与邻接矩阵70

4.1.2 GCN/GAT/GIN基本原理对比74

4.1.3 图聚合操作中的权重传播机制76

4.2 符号推理与结构逻辑表示77

4.2.1 一阶逻辑与谓词结构建模78

4.2.2 前向/后向链推理机制79

4.3 Scene Graph与程序图的建模方法80

4.3.1 视觉场景图构建流程80

4.3.2 Graph-Based Reasoning在视觉任务中的应用82

4.4 图推理任务中的训练策略83

4.4.1 图表示学习损失函数设计84

4.4.2 异构图与多类型边的处理85

4.4.3 图中的路径选择与状态更新机制87

4.5 本章小结89

第 5 章 BeamDojo框架原理详解90

5.1 框架整体结构与模块解构90

5.1.1 感知输入：LiDAR建图与本体观测编码90

5.1.2 策略输出：足部关节控制与轨迹预测92

5.1.3 双阶段训练结构解析93

5.2 Foothold Reward设计机制94

5.2.1 多点采样下的接触区域检测95

5.2.2 稀疏区域惩罚函数设计96

5.2.3 连续可微奖励设计的优势分析100

5.3 双价值函数网络结构104

5.3.1 价值函数解耦稀疏/稠密奖励104

5.3.2 优势值归一化融合策略111

5.3.3 策略更新中的裁剪与偏移控制117

5.4 两阶段训练机制设计与实证118

5.4.1 软动态约束训练阶段118

5.4.2 硬动态约束精调阶段125

5.5 本章小结131

第 6 章 结构化推理与策略调度系统132

6.1 状态?动作?后效逻辑表示方法132

6.1.1 STRIPS与PDDL状态建模132

6.1.2 动作前置条件与后效应用134

6.2 多步推理中的路径搜索方法135

6.2.1 Beam Search在图空间中的路径控制135

6.2.2 BFS/DFS与策略选择的融合137

6.3 局部?全局决策协同策略138

6.3.1 Low-Level Controller与High-Level Planner分离设计139

6.3.2 中间状态预测与可行性修正141

6.4 本章小结142

第 7 章 BeamDojo与LLM的互联与协同143

7.1 Prompt-to-Graph接口协议143

7.1.1 指令解析生成控制目标图谱143

7.1.2 图结构嵌入的语言映射机制144

7.1.3 Prompt压缩与Slot融合策略151

7.2 模型之间的接口集成机制158

7.2.1 Actor输出与LLM指导策略的同步调度158

7.2.2 动作计划补全与策略修复反馈161

7.2.3 高级逻辑推理模块的API定义方式161

7.3 多智能体任务分工与上下文融合164

7.3.1 MCP上下文协调协议与BeamDojo兼容设计164

7.3.2 Token Buffer中的Agent消息传递机制166

7.3.3 LLM+BeamDojo的多模态嵌套控制方案169

7.4 Sim2LLM现实接口映射机制170

7.4.1 观测?指令?动作的数据闭环结构170

7.4.2 LLM辅助策略调优的训练管道172

7.4.3 强化学习数据反馈到大模型微调流程173

7.5 本章小结173

第 8 章 BeamDojo逐模块实现174

8.1 环境搭建与依赖配置174

8.1.1 PyTorch与Isaac Gym环境配置174

8.1.2 Unitree G1机器人仿真适配176

8.1.3 LiDAR建图模块部署180

8.2 模型训练与数据记录183

8.2.1 Foothold奖励模块自定义训练183

8.2.2 多种Terrain配置的脚本管理186

8.3 策略评估与参数调试190

8.3.1 Foothold Error指标计算方法190

8.3.2 Terrain Difficulty Level的分级定义192

8.3.3 Success Rate与Traversal Rate动态对比分析195

8.4 Sim2Real部署流程与接口封装196

8.4.1 LiDAR-Inertial Odometry融合定位实现196

8.4.2 Elevation Map构建与插值优化199

8.4.3 Deployment环境中的ROS/PD控制接口封装202

8.5 本章小结206

第 9 章 基于BeamDojo框架与Issac平台的场景图建模实战207

9.1 基于知识图谱的路径建模207

9.1.1 实体图构建与子图抽取207

9.1.2 Multi-Hop路径规划208

9.1.3 动态路径回溯与答案置信计算211

9.2 BeamDojo驱动的推理式场景图建模213

9.2.1 用行为逻辑重构问题理解流程214

9.2.2 Question-to-Graph的Prompt图映射214

9.2.3 Reward-Based Search策略生成答案路径217

9.3 多模态场景图中的集成架构220

9.3.1 图像?文本?语义联动处理流程220

9.3.2 图谱关系匹配中的LLM纠错机制221

9.3.3 Answer Reasoning Trace的可解释性输出设计224

9.4 本章小结228

第 10 章 基于Unitree G1平台的机器人步态决策算法实战229

10.1 场景图理解任务229

10.1.1 实景图转场景图的流程230

10.1.2 多目标间的关系约束建模230

10.1.3 图结构约束下的推理路径生成231

10.2 行为生成与机器人逻辑接口233

10.2.1 SceneGraph-to-Plan映射规则233

10.2.2 Relation-Aware动作规划器实现234

10.2.3 动作约束图与动作生成器融合机制237

10.3 BeamDojo在步态控制中的应用240

10.3.1 任务感知与高程图动态注入241

10.3.2 自定义精细的足部奖励函数244

10.3.3 在稀疏支撑环境下的稳定性保持策略246

10.4 综合案例：从Scene Graph到任务执行247

10.4.1 场景图理解、导航规划与步态控制流程全链路实战247

10.4.2 行为执行结果评估与误差分析方法250

10.4.3 完整系统实现253

10.5 本章小结257

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编辑推荐

·BeamDojo框架作为新兴的神经符号融合技术路径，堪称行业黑马！它凭借独特的双阶段训练机制、精妙的稀疏奖励设计与强大的结构化推理控制能力，在稀疏支撑地形下成功实现了人形机器人的精细步态控制。这一突破为复杂任务推理与具身行为协同开辟了全新的研究与应用天地，让曾经遥不可及的梦想照进现实。

·《BeamDojo原理与应用实践:构建具身智能系统》紧紧围绕具身智能背景下的BeamDojo技术体系精心编排，全方位解析其在场景图理解与机器人步态控制中的多元应用。从理论原理到系统架构，从训练机制到图结构建模，再到LLM协同设计和完整的应用开发流程，每一个关键模块都讲解得细致入微，为你搭建起从基础认知到实战开发的一体化知识桥梁。全书共10章，层层递进，逻辑清晰：

第1章溯源追本，介绍BeamDojo的诞生背景及其在行为智能演进中的重要地位。通过对比传统运动控制路径与现代强化学习在类人步态建模上的优劣，深刻阐释了引入Polygon足建模、稀疏奖励函数与双Critic结构的必然性和创新性。

第2-4章夯实理论基础，依次深入讲解强化学习原理、大语言模型架构以及图神经网络推理方法。重点剖析PPO优化路径、语言－图结构对齐技术和GAT/GNN在行为逻辑图建模中的适用性，助你筑牢根基，更好地理解BeamDojo的核心机制。

第5章深度拆解BeamDojo的内部架构，涵盖LiDAR感知输入、动作输出机制、Foothold Reward设计以及双阶段训练流程。结合实验平台与Reward权重公式进行代码级剖析，让你不仅知其然更知其所以然。

第6章聚焦结构化推理机制，从状态－动作－结果三元组建模出发，逐步展开Beam Search、行为树与高低层协同控制策略的设计思路，建立起完整的推理－控制接口，使复杂的系统变得条理分明。

第7章揭秘BeamDojo与LLM的交互奥秘，详细阐述Prompt-to-Graph翻译协议、动作补全反馈机制及MCP多Agent通信协议，形成闭环指令到行为的高效生成路径，展现跨领域协作的强大威力。

第8章转入实战环节，从环境配置、仿真部署、策略调试到Sim2Real映射全过程悉心指导，还贴心提供适配Unitree G1机器人平台的接口封装实例，让你在实践中快速上手，积累宝贵经验。

第9、10章以场景图建模与机器人步态控制为主线，生动展示如何运用BeamDojo完成多跳图路径规划、场景图构建与动作控制逻辑推演等高难度任务，实现从感知输入到行为决策的端到端具身智能系统搭建，见证理论与实践的完美结合。

·无论你是从事人工智能、机器人、图推理还是自然语言处理等交叉方向的研究者或开发者，亦或是高校及研究机构渴望深入学习具身智能系统设计的师生，这本书都将是你不可或缺的良师益友。它不仅能帮助你真正理解BeamDojo背后深邃的认知逻辑与精巧的控制策略设计原理，更能助力你掌握其在前沿复杂任务中的实际落地能力，实现从原理到部署的重大跨越。

本文摘自《BeamDojo原理与应用实践:构建具身智能系统》，获出版社和作者授权发布。