国产亚洲视频在线手机版下载_91成人永久免费_中文字幕无码中文字幕有_曰韩黄色免费大片_國產午夜精品一區二區_爆乳邻居的色诱中文字幕_精品一卡1卡2卡3乱码视频_99久久精品国产综合男同_国产午夜福利一级福利短片_免费午夜网站

技術(shù)文章

Technical articles

當前位置:首頁技術(shù)文章南科大郭傳飛課題組:一種具有高時空分辨率的機器人感知系統(tǒng)用于紋理識別

南科大郭傳飛課題組:一種具有高時空分辨率的機器人感知系統(tǒng)用于紋理識別

更新時間:2023-11-20點擊次數(shù):523

機器人技術(shù)對觸覺感知的需求不斷增加,以實現(xiàn)機器人與周圍環(huán)境的友好互動。通常,采用柔性觸覺傳感器及人工感知系統(tǒng)來實現(xiàn)這一功能?,F(xiàn)有的柔性觸覺傳感器主要專注于對物理刺激的精確檢測,如壓力、剪切力和應(yīng)變等,以提供在機器人抓取或操作任務(wù)中更精準的反饋。然而,在觸摸目標物體時往往缺乏感知和識別真實世界的能力。相比之下,人類的皮膚,特別是指尖,不僅能感受和估量物體的重量,還能幫助識別接觸到的物體紋理、粗糙度和形狀等參數(shù)。

人體的指紋和皮下的機械感受器在紋理觸覺中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。手指在滑動過程中,使指紋嵌入物體表面的微結(jié)構(gòu)里,通過滑動摩擦產(chǎn)生了低頻壓力刺激和高頻振動刺激,并由皮膚中的慢適應(yīng)機械感受器(SA)和快適應(yīng)機械感受器(FA)分別檢測到相應(yīng)的力刺激,該刺激產(chǎn)生的電位信號通過神經(jīng)系統(tǒng)傳遞至大腦,供進一步的分析和判斷(識別)。然而,現(xiàn)有的研究很難在單一傳感器中同時實現(xiàn)SA和FA感受器的功能。因此,人工感知系統(tǒng)通常使用兩個傳感器(以及兩個收集和處理不同類型信號的電路),一個用于檢測靜壓,另一個專門用于檢測振動,這無疑增加了傳感系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)處理的難度。

近日,南方科技大學(xué)的郭傳飛課題組研發(fā)了一種基于柔性滑覺傳感的機器人觸覺感知系統(tǒng)用于紋理識別。該傳感器中,表面的指紋結(jié)構(gòu)和傳感器中的微結(jié)構(gòu)層對傳感性能起到關(guān)鍵作用。團隊采用摩方精密nanoArch®S130(精度:2μm)3D打印設(shè)備,實現(xiàn)了類指紋結(jié)構(gòu)模板和分級微結(jié)構(gòu)模板的高精度打印,并結(jié)合倒模技術(shù)制備了柔性PDMS人工指紋(周期:350 μm,高度:260μm)和具有分級微結(jié)構(gòu)的離子凝膠(周期:200μm,高度: 55μm)。

這種應(yīng)用需要傳感器具備高靈敏和快響應(yīng)的性能,以實現(xiàn)對微小的結(jié)構(gòu)起伏(高度)和精細的結(jié)構(gòu)間距產(chǎn)生響應(yīng)。團隊選擇了低粘度離子凝膠,并結(jié)合分級離-電傳感界面的設(shè)計,使滑覺傳感器具有高靈敏度(519kPa-1)和超快的響應(yīng)-弛豫速度(2.4ms),可同時檢測靜壓和高達400 Hz的高頻振動。此外,傳感器能夠探測出周期為15μm、高度為6μm的微小結(jié)構(gòu),展現(xiàn)出很好的空間分辨率。在400Hz的高頻振動下,柔性滑覺傳感器能夠區(qū)分出0.02Hz的頻率變化,頻率分辨率達0.005%。這種超級高的時空分辨率使滑覺傳感器能夠準確區(qū)分具有緊密間距的微小表面特征,這對機器人在紋理識別方面具有重要意義。

本研究將柔性滑覺傳感器集成在機械手上,并建立起機器人觸覺感知系統(tǒng)。在固定滑動速度下,該觸覺傳感系統(tǒng)對20種結(jié)構(gòu)相似的織物識別準確率高達100%。在隨機滑動速度下,由于數(shù)據(jù)的多樣性和復(fù)雜性,置信度略有下降,然而,平均識別準確率始終在98.5%以上。這一感知系統(tǒng)有望為機器人提升觸覺能力。

相關(guān)研究成果以“A robotic sensory system with high spatiotemporal resolution for texture recognition"為題發(fā)表在期刊《Nature Communications》上。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、廣東省科技廳和深圳市科創(chuàng)委的大力支持。



圖1. 模仿人類感官系統(tǒng)進行紋理識別的機器人感知系統(tǒng)。a. 人類的生物感官系統(tǒng);b 本研究的人工觸覺感知系統(tǒng)。



圖2. 滑覺傳感器的結(jié)構(gòu)、傳感特性以及靜態(tài)和動態(tài)壓力性能。a. 滑覺傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖;b. 人工指紋的微觀形貌圖;c. PVA-H3PO4 凝膠的形貌圖;d. 傳感器的響應(yīng)曲線;e. 滑覺傳感器的響應(yīng)-松弛時間;f. 傳感器在振動頻率為10、200 和 400 Hz的電容響應(yīng)以及對應(yīng)的頻譜;h. 滑覺傳感器與現(xiàn)有電容式傳感器在靈敏度、響應(yīng)-弛豫時間、頻率帶寬的對比。



圖3. 滑覺傳感器的時空分辨率。a. 人工指紋的SEM圖;b. 滑覺傳感器對具有不同間距微結(jié)構(gòu)的響應(yīng)(滑動速度1 mm·s-1);c.高度不同的微結(jié)構(gòu)的SEM圖;d. 滑覺傳感器對具有不同高度微結(jié)構(gòu)的響應(yīng)(滑動速度1 mm·s-1);d. 滑覺傳感器與圖 (c) 中的精細結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生的信號;e.傳感器檢測到頻率為400.0、400.1 和 400.2 Hz 的振動時域信號和(f)對應(yīng)的頻率信號;g. 被識別織物的微觀形貌圖;傳感器在不同滑動速度下滑過織物表面時采集的(h)時域信號和(i)對應(yīng)的頻域信號。



圖4. 織物識別應(yīng)用。a. 20種不同紡織品;b. 20種紡織品的結(jié)構(gòu)周期;c. 20種紡織品在2 mm·s-1和40 mm·s-1滑動速度下的對應(yīng)產(chǎn)生的特征頻率;d. 滑移傳感器以2 mm·s-1的滑動速率檢測20種紡織品的時域信號;e. 數(shù)據(jù)集的降維可視化;f. 特征提取和信號分類示意圖;g. 固定滑動速度下的識別準確率;h. 隨機滑動速度下傳感器滑過16號織物時的時域信號;i. 隨機滑動速率下的識別準確率。



圖5. 具有可視化用戶界面的便攜式實時傳感系統(tǒng)。a. 實時傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu);b. 固定滑動速度下,實時紋理觸覺識別系統(tǒng)的演示(傳感器集成在機械手上);c. 隨機滑動速度下,實時紋理觸覺識別系統(tǒng)的演示(傳感器集成在手指上)。


備注:已獲得轉(zhuǎn)載版權(quán)