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機械手準確率96.9%!觸嗅一體,救援“有一手”

時間:2022-01-13 10:09 點擊量: 作者:助力機械手 來源:費蘭智能設備

       瓦礫、碎石、破損的家具、飛揚的塵土……在一線實地調研并經專業人員指導后,中科院上海微系統與信息技術研究所(以下簡稱上海微系統所)傳感技術聯合國家重點實驗室副主任陶虎團隊搭建的人體被瓦礫石堆覆蓋的實驗場景極其逼真。
  星鼻鼴鼠比較少見,研究人員雖然沒有在現實中見過,但與其相關的研究很多,尤其是在醫學領域,有很多關于星鼻鼴鼠的文獻。
 
  “比如,它觸手上觸覺單元、微觀結構是什么樣的,生物學家做過解剖研究,我們主要是基于這些信息進行更深入的研究。”劉孟瑋說,“受星鼻鼴鼠啟發,我們將與它類似的結構運用到機械手設計中,在機械手上布局了觸覺傳感器和嗅覺傳感器陣列。”
 
  觸嗅融合優勢明顯
 
  這種觸嗅聯覺的方式,比單一感知在同等條件、同等傳感器數量情況下,識別率顯著提高。在器件要求上,純觸覺識別要求的傳感器比較多,遍布機械手的全掌,而且傳感器數量多了,會產生集成困難、系統復雜度高、數據處理量大等問題。
 
  “我們將MEMS嗅覺、觸覺柔性傳感器陣列與多模態機器學習算法融合,構建了仿星鼻鼴鼠觸嗅一體智能機械手。”陶虎告訴《中國科學報》。
 
  得益于硅基MEMS氣體傳感器(靈敏度超越人類1個數量級)、壓力傳感器(探測極限超越人類1個數量級)的優異性能,該機械手手指觸摸物體后,可準確獲取其局部微形貌、材質硬度和整體輪廓等關鍵特征,掌心能同步嗅出物體“指紋”氣味。
 
  “在此基礎上,我們通過仿生觸嗅聯覺(BOT)機器學習神經網絡實時處理,最終完成識別人體、確認部位、判斷掩埋狀態、移開障礙物、閉環救援。”
 
  劉孟瑋說,“相較麻省理工學院研究人員發表于《自然》的單一觸覺(548個傳感器)感知研究,我們通過觸(70個)、嗅(6個)聯覺,僅使用1/7數量的傳感器,達到了更理想的識別目的。”
 
  實驗數據表明,減少傳感器的規模和樣本量后,仿生智能機械手更適應復雜環境,能在資源有限條件下快速反應和應用。
此外,面對在實際救援中經常遇見的存在干擾氣體或器件部分損壞等情況,通過多模態感知的互補和神經網絡的快速調節,該系統仍達到超過80%的準確率。
 
  “觸嗅聯覺的另一個優點就是可以簡化感知陣列。”陶虎說,“這樣前端采集信號的傳感器少了,通道數少了,后面的計算量就會變小,整個系統判斷會非???。而且,嗅覺感知能輕松區分硫化氫、氨氣等人體的特殊氣味,進而判斷被掩埋者的狀態及所觸摸的身體部位。”
 
  未來,該技術可以部署到人工智能機器人或機械手上。機器人在救援挖掘過程中,在和人體不完全接觸的情況下,就感知到人的存在,然后進一步判斷被困者生命狀態、進行更精確的定位,從而制定救援策略,避免在施救中對人造成傷害。
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