機器人觸覺感知的原理與方法 孫富春 9787118124712 【台灣高等教育出版社】

目錄

第1章 概述
1 1 觸覺感知
1 1 1 形狀的觸覺識別
1 1 2 紋理材質的觸覺識別
1 1 3 形變的觸覺識別
1 1 4 探測動作
1 2 視-觸覺融合感知
1 2 1 視-觸覺融合感知算法
1 2 2 視-觸覺一體化融合感知
1 3 數據集
1 3 1 觸覺數據集
1 3 2 視-觸覺融合數據集
1 4 未來展望
第2章 電容式陣列觸覺傳感器
2 1 電容式觸覺傳感器原理
2 2 觸覺傳感器的設計
2 3 觸覺傳感器的加工與製備
2 4 觸覺傳感器靜態測試
2 4 1 力學測試結果
2 4 2 電學特性測試結果
第3章 觸覺目標識別
3 1 觸覺目標識別的基本原理
3 2 觸覺信息的動態時間規整距離表示
3 3 基於最近鄰的觸覺目標識別
3 3 1 Martin-KNN分類算法
3 3 2 DTW-KNN分類算法
3 4 系統包
3 4 1 超限學習機
3 4 2 數據集
3 4 3 實驗結果
第4章 觸覺感知的深度學習方法
4 1 隨機離散卷積神經網絡
4 1 1 卷積權重離散共享
4 1 2 卷積權重正交隨機初始化
4 1 3 RTCN的輸入頻率選擇性分析
4 2 觸覺流
4 3 三分支卷積網絡
4 3 1 空間特徵提取分支：觸覺單幀
4 3 2 時間特徵提取分支：觸覺流+幀間差分
4 3 3 層級化特徵融合
4 4 實驗驗證與分析
4 4 1 實驗基準數據集
4 4 2 實驗配置與參數設定
4 4 3 RTCN輸入不變性分析
4 4 4 時間與空間特徵鑒別力分析
4 4 5 與同類先進方法比較
第5章 視-觸覺融合目標識別
5 1 觸覺信息與視覺信息融合的目標識別
5 2 圖像信息表達
5 3 視-觸覺融合算法
5 4 實驗及結果分析
5 4 1 數據採集
5 4 2 實驗結果
第6章 滑覺檢測
第7章 機器人視-觸覺融合抓取操作
第8章 基於視-觸模態的抓取穩定預測
第9章 基於視-觸原理的多模態傳感器
參考文獻
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前言/序言
觸覺是接觸、滑動、壓覺等機械刺激的總稱，分為皮膚觸覺和運動觸覺。皮膚觸覺接受來自皮膚受體的感覺輸入；運動觸覺是指肌、腱、關節 等運動器官本身在不同狀態（運動或靜止）時產生的感覺。一般意義上的觸覺是指皮膚觸覺。觸覺是用於獲取環境信息的一種重要知覺形式，也是與環境直接作用的接觸感知。與視覺、聽覺等不同，觸覺模態在包括表面紋理、材質、硬度、滑覺、冷熱覺等多種性質特徵上表現出更強的敏感能力。觸覺傳感裝置的研究可以追溯到20世紀70年代，面向工業應用研究力傳感、角度傳感等內狀態；80年代，基於壓敏電阻等原理的觸覺傳感器得到發展，電子皮膚概念逐漸形成並在抓取操作和物體感知中得到應用；隨後，在90年代，面向人機安全協作的大規模多陣列觸覺傳感器和觸覺信息的處理研究得到重視；21世紀以來，一方面基於微視覺和仿生的觸覺傳感器得到發展，新材料和新工藝開始應用於新一代觸覺傳感器的研製，同時觸覺傳感器向產品級和高端發展。當前，觸覺感知已開始應用於機器人、工業自動化、醫療、人機交互等領域，針對觸覺感知的研究工作已成為機器人領域的新興熱點。
然而，觸覺感知的性能與觸覺傳感器的測量原理，操作物體的構型、形狀以及後端信息處理的方法密切相關。由於觸覺感知應用場景的複雜性，操作任務對觸覺感知特徵量、精度、測量力大小有很高的要求，這導致機器人觸覺感知存在諸多挑戰。根據《科技日報》的報道，”觸覺傳感器”依然是我國亟待攻克的”卡脖子”關鍵技術。
當前，國內已有多個單位開展觸覺感知的研究，但仍缺少系統介紹觸覺感知基礎與前沿技術的中文書籍。為此，本書作者結合自身多年的科研、教學與實踐，從傳感、感知與操作驗證3個不同緯度全面展現了機器人觸覺的主要內容。
在觸覺傳感方面，本書在綜合介紹各種不同觸覺傳感原理基礎上，分析了不同傳感器的性能優劣，進而詳細介紹了一種新型電容式柔性觸覺傳感器的設計流程、製備方法和測試結果。該柔性觸覺傳感器採用了彈性微針結構，在靈敏度、檢測範圍等方面均有較為良好的表現，並且還模擬真實入手感知過程，為機器人提供了高密度和高靈敏的觸覺信息。
在觸覺感知方面，本書在系統分析觸覺感知與視-觸覺融合感知的研究現狀與發展趨勢基礎上，將觸覺感知問題歸結為模式識別問題，從而建立了利用機器學習方法來實現觸覺目標識別和視-觸覺目標識別的新視角，並具體介紹了觸覺信號距離測度、最近鄰分類方法、超限學習方法以及深度學習方法等。
最後，在操作驗證方面，圍繞典型的應用場景，如滑覺檢測、靈巧抓取操作等，具體介紹了觸覺信息的獨特作用。建立了基於觸覺與視覺信息的機器人自主抓取數據集，可用於綜合驗證穩定抓取預測方法。通過這些例子，進一步印證了觸覺信息對於提升機器人自主抓取操作的成功率具有極其重要的作用。
全書內容具體安排如下。
第1章 ：概述。系統地分析觸覺感知的研究現狀及當前的研究熱點，為讀者快速掌握這一領域的研究進展提供參考。
第2章 ：電容式陣列觸覺傳感器。在綜合分析多種不同的觸覺感知原理基礎上，詳細地介紹電容式觸覺傳感器的設計方法，為對觸覺傳感器感興趣的讀者提供詳細的技術實現途徑。
第3章 ：觸覺目標識別。系統地將觸覺目標識別問題描述為模式識別問題，在此基礎上綜合介紹多種不同模式識別方法在觸覺目標識別問題的應用。
第4章 ：觸覺感知的深度學習方法。結合深度學習技術的前沿發展，系統地介紹利用卷積神經網絡實現觸覺感知的關鍵技術。
第5章 ：視-觸覺融合目標識別。深入分析視-觸覺融合技術的意義、挑戰性問題，在此基礎上結合機器學習的前沿進展介紹有效的視-觸覺融合處理方法。
第6章 ：滑覺檢測。介紹利用觸覺感知技術實現滑動檢測的實際應用案例。
第7章 ：機器人視-觸覺融合抓取操作。介紹利用視-觸覺融合感知技術實現機械臂操作與抓取的實際應用案例。
第8章 ：基於視-觸模態的抓取穩定預測。介紹利用深度學習將視覺與觸覺特徵融合表徵機器手抓取穩定狀態，從而完成機器人穩定精細操作。
第9章 ：基於視-觸原理的多模態傳感器。介紹了一種新型觸覺傳感器可感知同一時間、空間狀態下的物體紋理、溫度及三維力信息，利用機器人操作實驗驗證了該多模態觸覺傳感器的性能及優勢。
多年來，作者研究組在機器人觸覺研究工作中獲得了多項研究基金與計劃資助，包括科技創新2030——”新一代人工智能”重大項目、國家自然科學基金等。作者對給予這些研究基金和研究計劃支持與資助的科技部、國家自然科學基金委員會等有關部門表示感謝。
機器人觸覺內容廣泛，涉及諸多學科領域。由於作者水平有限，經驗不足，書中不妥之處在所難免，敬請廣大讀者、同行與專家批評指正。
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