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📖 Unityエンジニアの視点で学ぶMuJoCo入門

2025/02/02に公開
「ロボットの動作をリアルにシミュレーションしたい！」

そう思ったことはありませんか？
Unityは、リアルタイムレンダリングや直感的な開発環境を活かして、ゲームやVRアプリ開発に最適なプラットフォームです。しかし、物理シミュレーションの精度やロボティクス向けの機能においては、より特化したツールが求められます。
そこで登場するのが、MuJoCo（Multi-Joint dynamics with Contact） です。

MuJoCoは、高速かつ精度の高い物理シミュレーションを提供し、ロボットの動作や物体間の接触計算に優れています。Google DeepMindをはじめとする研究機関や企業でも広く使われており、強化学習やロボティクス分野での応用が進んでいます。

 こんな人にオススメ！✅ Unityで物理シミュレーションを試したことがあるが、精度に不満がある人

✅ MuJoCoに興味があるが、どこから始めればよいか分からない人

✅ XMLの書き方を学びつつ、シミュレーションを改造してみたい人

 🔹 UnityとMuJoCo、何が違うの？
UnityとMuJoCoは、どちらも物理シミュレーションが可能ですが、その目的が異なります。



Unity
MuJoCo


用途
ゲーム・VR・インタラクティブコンテンツ
ロボティクス・強化学習・科学シミュレーション

物理エンジン
NVIDIA PhysX
専用の高精度エンジン

操作方法
GUI（エディタでオブジェクト配置）
XMLやスクリプトで定義

計算精度
リアルタイム処理向け（近似計算）
高精度な物理計算

つまり、「見た目やゲーム向けの物理ならUnity、ロボットや高精度なシミュレーションならMuJoCo」 という使い分けが適しています。
より具体的には例えるとこうですかね。
UnityのPhysXは、剛体シミュレーションのため、関節の柔軟性や接触計算が粗い。
MuJoCoは、接触力・摩擦の計算精度が高く、逆動力学解析も可能。
強化学習において、Unity ML-AgentsではMuJoCoのような精密な接触計算ができない。
今回は、まず 「MuJoCoの基本」 を学び、サンプルXMLファイルを解析しながら、その仕組みを理解していきます。

MuJoCoがどのように動作するのかを体験しながら、次回以降の「ロボットモデルの作成」に繋げていきましょう！

 🛠 まずはMuJoCoを触ってみよう！
それでは、最初にMuJoCoのサンプルシミュレーションを見て、モチベーションを上げましょう！
📺 参考動画:

https://www.youtube.com/watch?v=QnaOydKmV7w
この動画では、MuJoCoを使ったリアルなシミュレーションの例を見ることができます。

「こんなシミュレーションが作れるのか！」と感じたら、早速MuJoCoを触っていきましょう。

 🔍 MuJoCoのシミュレーターを使ってみる
MuJoCoには、XMLファイルを読み込んでシミュレーションを実行できる「標準のシミュレーター」 が付属しています。

まずはこれを使って、サンプルXMLを開いてみましょう。

 💡 手順
MuJoCoをインストールすると、下図のアイコンがデスクトップまたはアプリケーションフォルダに追加されます。

このアイコンをダブルクリックして、シミュレーターを起動しましょう。
シミュレーターが起動すると、下図のようなウィンドウが表示されます。
サンプルのXMLファイルをドラッグ＆ドロップ すると、シミュレーションが開始されます！
これで、MuJoCoのシミュレーション環境が整いました！

次に、XMLファイルの中身を解析し、シミュレーションの仕組みを理解していきましょう。

 ✏️ サンプルXMLファイルを理解しよう
MuJoCoではモデルの定義にXMLファイルを用います。そして、サンプルとして選んだ xml ファイルはバルーンのサンプルです。
このXMLファイルは、MuJoCoでバルーン（風船）を用いたシミュレーションを実現するための設定ファイルです。このXMLファイルは、MuJoCoのシミュレーションにおける基本的な設定を一通り網羅しています。

オプションでシミュレーションの基本パラメータを設定し、

ビジュアルで見た目を調整、

デフォルトで各要素の共通プロパティをまとめ、

アセットでシーンに使用するリソースを定義し、

ワールドボディで実際のシーンのオブジェクトを配置、

腱で各オブジェクト間の連結を実現しています。
balloons.xml：
<mujoco>
  <option density="1.204" viscosity="1.8e-5" integrator="implicit"/>

  <visual>
    <global elevation="-10"/>
  </visual>

  <default>
    <tendon limited="true" width="0.003" rgba="1 1 1 1"/>
    <geom friction=".2"/>
    <default class="weight">
      <geom rgba=".8 .4 .8 1"/>
      <site rgba=".8 .4 .8 1"/>
    </default>
    <default class="balloon">
      <!--
        0.167 is the MKS density of helium at room temperature.
        Note this does not take into account the mass of the rubber,
        which is likely not insignificant.
      -->
      <geom density="0.167" fluidshape="ellipsoid"/>
      <default class="pink">
        <geom rgba="1 .6 .7 1"/>
        <site rgba="1 .6 .7 1"/>
      </default>
      <default class="blue">
        <geom rgba=".3 .7 .9 1"/>
        <site rgba=".3 .7 .9 1"/>
      </default>
      <default class="green">
        <geom rgba=".4 .9 .5 1"/>
        <site rgba=".4 .9 .5 1"/>
      </default>
      <default class="orange">
        <geom rgba="1 .4 0 1"/>
        <site rgba="1 .4 0 1"/>
      </default>
    </default>
  </default>

  <asset>
    <texture name="grid" type="2d" builtin="checker" width="512" height="512" rgb2="0 0 0" rgb1="1 1 1"/>
    <material name="grid" texture="grid" texrepeat="2 2" texuniform="true" reflectance=".6"/>
  </asset>

  <worldbody>
    <geom name="ground" type="plane" size="5 5 .05" pos="0 0 -.5" material="grid"/>
    <geom name="ramp" type="box" size=".4 .2 .03" pos="0 0 -.4" euler="0 20 0" rgba="1 1 1 1"/>

    <body name="weight" childclass="weight" pos=".3 0 .2">
      <freejoint/>
      <light pos="1 0 3" dir="-1 0 -3" mode="trackcom"/>
      <light pos="-1 0 3" dir="1 0 -3" mode="trackcom"/>
      <!-- The mass of the weight was chosen to be slightly bigger than the total buoyancy of the balloons. -->
      <geom name="weight" type="box" size=".015 .015 .015" mass=".0347"/>
      <site name="weight1" pos=" .013  .013 .013" size="0.005"/>
      <site name="weight2" pos="-.013 -.013 .013" size="0.005"/>
    </body>

    <!-- The gravcomp value of 7.2 is the ratio of air and helium densities at room temperature. -->
    <body name="pink" gravcomp="7.2" pos="-.2 .1 .2" childclass="pink">
      <freejoint />
      <geom name="pink" type="ellipsoid" size=".11 .11 .15"/>
      <geom name="pink_knot" pos="0 0 -.15" size=".02"/>
      <site name="pink" pos="0 0 -.17" size="0.01"/>
    </body>

    <body name="blue" gravcomp="7.2" pos=".1 .1 .2" childclass="blue">
      <freejoint />
      <geom name="blue" type="ellipsoid" size=".12 .12 .15"/>
      <geom name="blue_knot" pos="0 0 -.15" size=".02"/>
      <site name="blue" pos="0 0 -.17" size="0.01"/>
    </body>

    <body name="green" gravcomp="7.2" pos=".1 -.1 .2" childclass="green">
      <freejoint />
      <geom name="green" type="ellipsoid" size=".12 .12 .14"/>
      <geom name="green_knot" pos="0 0 -.14" size=".02"/>
      <site name="green" pos="0 0 -.16" size="0.01"/>
    </body>

    <body name="orange" gravcomp="7.2" pos="-.12 -.12 .2" childclass="orange">
      <freejoint />
      <geom name="orange" type="ellipsoid" size=".12 .12 .13"/>
      <geom name="orange_knot" pos="0 0 -.13" size=".02"/>
      <site name="orange" pos="0 0 -.15" size="0.01"/>
    </body>
  </worldbody>

  <tendon>
    <spatial range="0 0.6">
      <site site="pink"/>
      <site site="weight1"/>
    </spatial>
    <spatial range="0 0.4">
      <site site="blue"/>
      <site site="weight1"/>
    </spatial>
    <spatial range="0 0.3">
      <site site="green"/>
      <site site="weight2"/>
    </spatial>
    <spatial range="0 0.5">
      <site site="orange"/>
      <site site="weight2"/>
    </spatial>
  </tendon>
</mujoco>
全体は <mujoco> タグで囲まれており、その中でシミュレーションのオプション、ビジュアル設定、デフォルトのプロパティ、リソース（アセット）、シーン（ワールドボディ）、そして連結用の腱（tendon）が定義されています。
詳細は、付録を参照ください。

 ちょっと理解を確かめるここまでChatGPTなどを活用して、MuJoCoの基本的な設定やXMLファイルの構造について大体の概要を掴むことができました。ここからは、実際に自分で手を動かして得た実践的な理解をご紹介します。
このサンプルでは、バルーンがあるのに浮かび上がらない現象に気づいたので、パラメータを変更して、実際にバルーンを浮かべてみることにしました。
ポイントは、gravcomp です。XML内のコメントには以下のように記載されています：
he gravcomp value of 7.2 is the ratio of air and helium densities at room temperature.
つまり、これはヘリウムの浮力に関わるパラメータであり、この値を調整すればバルーンの浮力が大きくなるはずです。実際にこの値を変更してみた結果、バルーンが見事に浮かび上がるようになりました。
その結果は、下記の動画でご確認いただけます：
https://www.youtube.com/watch?v=IeSpwzunwZI

 📝 まとめ
今回は、MuJoCoの基本概念とXMLの解析を行い、実際にバルーンのシミュレーションを修正してみました。
MuJoCoは、XMLを使ってモデルを定義し、物理シミュレーションを動かす という流れが基本です。

一見シンプルですが、細かいパラメータ調整ができるので、ロボットシミュレーションやAI学習にも応用できます。
次回は、TurtleBot3のモデルをMuJoCoで作成し、実際にロボットの物理シミュレーションを動かしてみます！

「実際のロボットをシミュレートするにはどうすればいい？」を考えながら進めていきましょう。
👉 次回：「MuJoCoでTurtleBot3を作ってみる」 もお楽しみに！

 付録
ここでは、balloons.xmlの細かな設定内容を解説します。

 1. シミュレーションの基本オプションとビジュアル設定
 <option> タグ<option density="1.204" viscosity="1.8e-5" integrator="implicit"/>

density: シミュレーション内で使用する空気などの流体の密度を指定しています。ここでは 1.204（おそらく kg/m³）と設定されています。

viscosity: 流体の粘性を示すパラメータです。値は 1.8e-5 となっており、現実の空気の粘性に近い値です。

integrator: 数値積分の方法を指定しています。「implicit」は、剛性の高いシミュレーションにおいて安定性を高めるために選ばれる方法です。

 <visual> タグ<visual>
  <global elevation="-10"/>
</visual>

global elevation: カメラの視点やシーン全体の見え方に影響します。ここではシーンを少し見下ろす形にするため、elevation を -10 に設定しています。

 2. デフォルト設定とクラス
 <default> タグデフォルト設定では、共通で使用するパラメータやスタイルを定義しています。これにより、各要素で同じ設定を繰り返さずに済むようになっています。
<default>
  <tendon limited="true" width="0.003" rgba="1 1 1 1"/>
  <geom friction=".2"/>
  ...
</default>

tendon: 腱（tendon）のデフォルト設定。limited="true" により、腱の伸び縮みが制限され、width や rgba で見た目の太さや色を指定しています。

geom: 幾何学要素のデフォルト設定。ここでは摩擦係数を 0.2 に設定しており、全体の接触挙動に影響します。
ちなみに、tendonという言葉は最初はイメージしづらかったのですが、実際は下図のような、物体を接続する細い糸のようなものを指しています。実際のシミュレーションでも、この腱が物体同士を柔軟に連結する役割を果たしています。

 サブクラス設定デフォルト設定内では、さらにクラス分けがされています。たとえば、weight クラスと balloon クラスが定義されています。
<default class="weight">

ここでは、重りに関する見た目の設定が行われています。<geom> と <site> で、色（rgba）が指定されています。
<default class="balloon">

風船に関する基本設定です。

density="0.167": ヘリウムの密度に近い値を設定しており、風船の浮力計算に影響します。

fluidshape="ellipsoid": 風船の形状が楕円体として扱われます。

さらに、balloon クラス内にサブクラス（pink, blue, green, orange）が定義され、それぞれの色や外観が細かく設定されています。

 3. アセット（資産）の定義
 <asset> タグ<asset>
  <texture name="grid" type="2d" builtin="checker" width="512" height="512" rgb2="0 0 0" rgb1="1 1 1"/>
  <material name="grid" texture="grid" texrepeat="2 2" texuniform="true" reflectance=".6"/>
</asset>

texture: 「grid」という名前のテクスチャを定義。ここでは、チェック柄（checker）が指定され、白と黒で構成される画像が生成されます。

material: 上記のテクスチャを利用して、材質「grid」を作成。texrepeat や reflectance を設定することで、地面などの見た目を制御します。

 4. ワールドボディ（シーン）の定義
 <worldbody> タグシーン内のオブジェクト（地面、斜面、風船、重りなど）が定義されます。
<worldbody>
  <geom name="ground" type="plane" size="5 5 .05" pos="0 0 -.5" material="grid"/>
  <geom name="ramp" type="box" size=".4 .2 .03" pos="0 0 -.4" euler="0 20 0" rgba="1 1 1 1"/>
  ...
</worldbody>
地面 (ground)

type="plane": 無限平面を表現。

size と pos で大きさや位置を指定。

material="grid" により、先に定義したチェック柄のマテリアルが適用されます。
斜面 (ramp)

type="box" として、直方体を表現し、euler 属性で回転（ここでは20度）を与えています。

 各 <body> タグ重り (weight)

childclass="weight" を指定して、デフォルト設定（重り用）の外観を引き継ぎます。

<freejoint/> により自由度の高いジョイントを持たせ、シーン内で動かせるようにしています。
内部で <geom> や <site> タグを使って、実際の形状や参照点（サイト）を定義しています。
風船 (pink, blue, green, orange)
それぞれの <body> タグで風船を表現。gravcomp（重力補償）属性により、空気とヘリウムの浮力の比率が反映されます。
各風船も <freejoint/> を持ち、楕円体の形状が <geom> タグで定義されています。

<site> タグは、後の腱の接続ポイントとして使われています。

 5. 腱（Tendon）の定義
 <tendon> タグ<tendon>
  <spatial range="0 0.6">
    <site site="pink"/>
    <site site="weight1"/>
  </spatial>
  ...
</tendon>

spatial タグ

各 <spatial> 要素は、2つの <site> を接続しており、物理的な拘束（伸び縮みの制限）をシミュレーションします。

range 属性で許容される伸び縮みの範囲が設定されています。
例えば、最初の <spatial> では、風船（pink）と重りの一部（weight1）が接続されています。
	Unity	MuJoCo
用途	ゲーム・VR・インタラクティブコンテンツ	ロボティクス・強化学習・科学シミュレーション
物理エンジン	NVIDIA PhysX	専用の高精度エンジン
操作方法	GUI（エディタでオブジェクト配置）	XMLやスクリプトで定義
計算精度	リアルタイム処理向け（近似計算）	高精度な物理計算