【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及機(jī)器人，尤其是涉及一種基于脈沖生成的機(jī)器人靈巧手仿生感知方法。
技術(shù)介紹
1、在未知和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，機(jī)器人通過(guò)一系列的感知手段來(lái)建立和完善他們對(duì)世界的理解。特別是在復(fù)雜的未知環(huán)境中，機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境或?qū)ο笪矬w不了解，但可以與周圍環(huán)境進(jìn)行物理交互，從而獲取想要的信息，從而建立起他們的相關(guān)表征。準(zhǔn)確的估計(jì)一個(gè)未知物體或環(huán)境信息是機(jī)器人具身智能應(yīng)用中的挑戰(zhàn)之一，可以被用于不同目的的后續(xù)任務(wù)，如推動(dòng)、抓取和靈巧旋轉(zhuǎn)等。
2、機(jī)器人具身感知能力在代替人類操作任務(wù)中有著巨大的潛力，在一些特殊環(huán)境中，如太空探索、深海探測(cè)或?yàn)?zāi)難救援等，機(jī)器人需要代替人類執(zhí)行任務(wù)。在這些情況下，機(jī)器人的靈巧手和觸覺感知能力顯得尤為重要。觸覺感知能力不僅能夠提供關(guān)于物體形狀、質(zhì)地、溫度等信息，還能幫助機(jī)器人更好地適應(yīng)和理解其工作環(huán)境。例如，通過(guò)觸覺反饋，機(jī)器人可以判斷物體的硬度、溫度和紋理等屬性。
3、為了能夠更好的以人類視角理解機(jī)器人具身信息，機(jī)器人的觸覺感知系統(tǒng)也在不斷進(jìn)化，以模擬人類的觸覺感知，仿生觸覺感知能力的發(fā)展非常關(guān)鍵，然而，由于觸覺數(shù)據(jù)通常具有高維度和稀疏性，這給環(huán)境認(rèn)知的效率和精度帶來(lái)了挑戰(zhàn)。因此，亟需一種感知方法以克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的就是為了提供一種有效提高觸覺感知能力的基于脈沖生成的機(jī)器人靈巧手仿生感知方法。
2、本專利技術(shù)的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
3、一種基于脈沖生成的機(jī)器人靈巧
4、獲取機(jī)器人靈巧手的傳感單元采集的脈沖觸覺數(shù)據(jù)；
5、將所述脈沖觸覺數(shù)據(jù)輸入具有雙通道的編碼器中，提取時(shí)空特征并交互融合，完成對(duì)物體感知識(shí)別，其中具有雙通道的編碼器包括時(shí)序子編碼器、空間子編碼器和多模態(tài)交互模塊；
6、所述完成對(duì)物體的感知識(shí)別的步驟包括：
7、將所述脈沖觸覺數(shù)據(jù)輸入所述時(shí)序子編碼器中提取時(shí)序特征；
8、將所述脈沖觸覺數(shù)據(jù)輸入所述空間子編碼器中提取空間特征；
9、將所述時(shí)序特征和空間特征輸入所述多模態(tài)交互模塊中進(jìn)行特征交互，得到時(shí)空特征，并采用concate操作進(jìn)行處理，最終輸出對(duì)物體的感知識(shí)別結(jié)果。
10、進(jìn)一步地，所述脈沖觸覺數(shù)據(jù)的生成過(guò)程包括：
11、利用柔性材料滿足仿生柔性特征，通過(guò)按壓導(dǎo)通特性滿足仿生時(shí)間觸發(fā)特性，構(gòu)建柔性觸覺傳感器，作為傳感單元；
12、模擬皮膚觸覺信息產(chǎn)生機(jī)制，利用rc電路的電容充電特征，設(shè)計(jì)電壓比較器，電容充滿比較器產(chǎn)生脈沖，并根據(jù)機(jī)器人靈巧手的機(jī)械結(jié)構(gòu)特性，對(duì)柔性觸覺傳感器進(jìn)行分布式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)最終的脈沖觸覺數(shù)據(jù)的生成。
13、進(jìn)一步地，所述rc電路的電容充電原理為：
14、v(t)＝v0*(1-e-t/rc)
15、式中，v(t)為輸出電壓，v0為輸入電壓，rc為時(shí)間常數(shù)，根據(jù)按壓程度不同，實(shí)現(xiàn)時(shí)間常數(shù)的改變。
16、進(jìn)一步地，所述時(shí)序子編碼器包括線性層、時(shí)序位置編碼模塊和時(shí)間注意力特征提取模塊，所述線性層用于對(duì)所述脈沖觸覺數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換，所述時(shí)序位置編碼融合模塊用于將線性變換后的脈沖觸覺數(shù)據(jù)與其位置編碼進(jìn)行融合，得到嵌入時(shí)間信息的脈沖觸覺數(shù)據(jù)；所述時(shí)間注意力特征提取模塊用于對(duì)所述嵌入時(shí)間信息的脈沖觸覺數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序特征提取。
17、進(jìn)一步地，所述時(shí)序位置編碼融合模塊中，所述位置編碼的表達(dá)式為：
18、
19、式中，pe(·)為位置編碼，pos表示位置索引，即步長(zhǎng)，dmodel為詞向量的維度，i為維度索引。
20、進(jìn)一步地，所述時(shí)間注意力特征提取模塊采用注意力機(jī)制進(jìn)行時(shí)序特征的提取，其中，注意力機(jī)制的表達(dá)式為：
21、ei＝w(2)(w(1)h+b(1)+b(2))
22、
23、式中，ei為輸入特征經(jīng)過(guò)非線性變換后的特征，w(1)、w(2)分別為變換矩陣，b(1)、b(2)分別為偏置參數(shù)，h為輸入特征，αi為注意力參數(shù)，ek為特征序列，n為輸入特征總數(shù)，ct為輸出特征，hi為輸入特征，h為當(dāng)前時(shí)刻特征。
24、進(jìn)一步地，所述空間子編碼器包括圖結(jié)構(gòu)構(gòu)建模塊、空間位置編碼模塊、空間位置匹配模塊和空間注意力特征提取模塊，
25、圖結(jié)構(gòu)構(gòu)建模塊用于傳感單元的空間位置采用圖結(jié)構(gòu)進(jìn)行表示，其中圖結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)表示傳感單元，邊表示傳感單元之間的關(guān)系；
26、所述空間位置編碼模塊用于對(duì)圖結(jié)構(gòu)上傳感單元的空間位置進(jìn)行編碼；
27、所述空間位置匹配模塊用于將位置編碼后的圖結(jié)構(gòu)上的空間位置與所述脈沖觸覺數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，以將空間位置嵌入脈沖觸覺數(shù)據(jù)中；
28、所述空間注意力特征提取模塊用于根據(jù)匹配結(jié)果進(jìn)行空間特征提取。
29、進(jìn)一步地，所述空間位置編碼模塊中，位置編碼的表達(dá)式為：
30、
31、式中，h(l)為第l層的節(jié)點(diǎn)特征矩陣，其中每一行代表一個(gè)節(jié)點(diǎn)的特征向量，h(l+1)為第l+1層的節(jié)點(diǎn)特征矩陣，即經(jīng)過(guò)圖卷積操作后更新的節(jié)點(diǎn)特征，σ(·)為非線性激活函數(shù)，為圖的鄰接矩陣a加上單位矩陣in，n為節(jié)點(diǎn)數(shù)，為的度矩陣，是一個(gè)對(duì)角矩陣，其對(duì)角線上的元素是每一行的和，w(l)為第l層的權(quán)重矩陣，用于對(duì)節(jié)點(diǎn)特征進(jìn)行線性變換。
32、進(jìn)一步地，所述空間注意力特征提取模塊采用多頭自注意力機(jī)制進(jìn)行空間特征的提取，其中所述多頭自注意力機(jī)制的表達(dá)式為：
33、q,k,v＝ln(linear(ln(linear(x,w))))
34、
35、式中，q、k、v分別為查詢、鍵、值，ln(·)為layernorm，linear(·)為線性層，x、w分別為輸入特征和隨機(jī)初始化矩陣，msa(·)為自注意力特征計(jì)算，d為比例參數(shù)。
36、進(jìn)一步地，所述具有雙通道的編碼器采用均方誤差損失函數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，所述均方誤差損失函數(shù)的表達(dá)式為：
37、
38、式中，mse為均方誤差損失，n為樣本數(shù)量，yi為實(shí)際值，為預(yù)測(cè)值。
39、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下有益效果：
40、(1)本專利技術(shù)通過(guò)雙通道的編碼器分別從時(shí)間特性和空間特性上提取出觸覺數(shù)據(jù)中的時(shí)序特征和空間特征，實(shí)現(xiàn)多特征感知，并通過(guò)特征交互融合，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人靈巧手的觸覺感知，解決了機(jī)器人靈巧手內(nèi)復(fù)雜物體操作過(guò)程的仿生具身信息獲取難的問(wèn)題，有效提高機(jī)器人靈巧手的觸覺感知能力。
41、(2)本專利技術(shù)的時(shí)序子編碼器和空間子編碼器分別進(jìn)行觸覺數(shù)據(jù)的時(shí)間步嵌入操作和空間位置嵌入操作，保證時(shí)間的順序性，提高時(shí)序特征的捕獲能力，并分別通過(guò)時(shí)序注意力特征提取模塊和空間注意力特征提取模塊對(duì)更加重要的接觸時(shí)刻和接觸位置進(jìn)行突出，提高獲取的特征質(zhì)量。
42、(3)本專利技術(shù)通過(guò)柔性材料構(gòu)建事件觸發(fā)式的數(shù)據(jù)收集過(guò)程，觸覺數(shù)據(jù)首先通過(guò)rc震蕩電路本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于脈沖生成的機(jī)器人靈巧手仿生感知方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖生成的機(jī)器人靈巧手仿生感知方法，其特征在于，所述脈沖觸覺數(shù)據(jù)的生成過(guò)程包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于脈沖生成的機(jī)器人靈巧手仿生感知方法，其特征在于，所述RC電路的電容充電原理為：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖生成的機(jī)器人靈巧手仿生感知方法，其特征在于，所述時(shí)序子編碼器包括線性層、時(shí)序位置編碼模塊和時(shí)間注意力特征提取模塊，所述線性層用于對(duì)所述脈沖觸覺數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換，所述時(shí)序位置編碼融合模塊用于將線性變換后的脈沖觸覺數(shù)據(jù)與其位置編碼進(jìn)行融合，得到嵌入時(shí)間信息的脈沖觸覺數(shù)據(jù)；所述時(shí)間注意力特征提取模塊用于對(duì)所述嵌入時(shí)間信息的脈沖觸覺數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序特征提取。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于脈沖生成的機(jī)器人靈巧手仿生感知方法，其特征在于，所述時(shí)序位置編碼融合模塊中，所述位置編碼的表達(dá)式為：
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于脈沖生成的機(jī)器人靈巧手仿生感知方法，其特征在于，所述時(shí)間注意力特征提取模塊采用注
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖生成的機(jī)器人靈巧手仿生感知方法，其特征在于，所述空間子編碼器包括圖結(jié)構(gòu)構(gòu)建模塊、空間位置編碼模塊、空間位置匹配模塊和空間注意力特征提取模塊，
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于脈沖生成的機(jī)器人靈巧手仿生感知方法，其特征在于，所述空間位置編碼模塊中，位置編碼的表達(dá)式為：
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于脈沖生成的機(jī)器人靈巧手仿生感知方法，其特征在于，所述空間注意力特征提取模塊采用多頭自注意力機(jī)制進(jìn)行空間特征的提取，其中所述多頭自注意力機(jī)制的表達(dá)式為：
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖生成的機(jī)器人靈巧手仿生感知方法，其特征在于，所述具有雙通道的編碼器采用均方誤差損失函數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，所述均方誤差損失函數(shù)的表達(dá)式為：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于脈沖生成的機(jī)器人靈巧手仿生感知方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖生成的機(jī)器人靈巧手仿生感知方法，其特征在于，所述脈沖觸覺數(shù)據(jù)的生成過(guò)程包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于脈沖生成的機(jī)器人靈巧手仿生感知方法，其特征在于，所述rc電路的電容充電原理為：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖生成的機(jī)器人靈巧手仿生感知方法，其特征在于，所述時(shí)序子編碼器包括線性層、時(shí)序位置編碼模塊和時(shí)間注意力特征提取模塊，所述線性層用于對(duì)所述脈沖觸覺數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換，所述時(shí)序位置編碼融合模塊用于將線性變換后的脈沖觸覺數(shù)據(jù)與其位置編碼進(jìn)行融合，得到嵌入時(shí)間信息的脈沖觸覺數(shù)據(jù)；所述時(shí)間注意力特征提取模塊用于對(duì)所述嵌入時(shí)間信息的脈沖觸覺數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序特征提取。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于脈沖生成的機(jī)器人靈巧手仿生感知方法，其特征在于，所述時(shí)序位置編碼融合模塊中，所述位置編碼的表達(dá)式為：
<...【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：周艷敏，胡嘉睿，欒鋒，蔣永康，何斌，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：同濟(jì)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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