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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
Unity
mujoco
hakoniwa
tech

「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

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。
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