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清華大學(xué)研發(fā)垃圾分類(lèi)“神器”_可識(shí)別面包_紙盒

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2022-01-23 16:39:19    作者:百里桂芝    瀏覽次數(shù):23
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機(jī)器手也能做垃圾分類(lèi)了!如下圖,用機(jī)器手識(shí)別塑料團(tuán)時(shí),屏幕上就會(huì)顯示可回收。圖 |機(jī)器手識(shí)別塑料團(tuán)(受訪(fǎng)者)識(shí)別廢棄紙盒時(shí),屏幕上也會(huì)顯示可回收。圖 | 機(jī)器手識(shí)別廢棄紙盒(受訪(fǎng)者)識(shí)別廢棄面

機(jī)器手也能做垃圾分類(lèi)了!

如下圖,用機(jī)器手識(shí)別塑料團(tuán)時(shí),屏幕上就會(huì)顯示可回收。

圖 |機(jī)器手識(shí)別塑料團(tuán)(受訪(fǎng)者)

識(shí)別廢棄紙盒時(shí),屏幕上也會(huì)顯示可回收。

圖 | 機(jī)器手識(shí)別廢棄紙盒(受訪(fǎng)者)

識(shí)別廢棄面包時(shí),屏幕則會(huì)顯示不可回收。

圖 | 機(jī)器手識(shí)別面包(受訪(fǎng)者)

盡管機(jī)器手很智能,但垃圾回收得全鏈條依然需要人類(lèi)清潔員參與,假如機(jī)器手不小心抓握到人手,它會(huì)怎么處理呢?

如圖,假如抓握到人手,屏幕就會(huì)提醒這是人得手。

圖 | 識(shí)別人手(受訪(fǎng)者)

這是清華大學(xué)精密儀器系朱榮教授課題組得成果,其核心不在于上述機(jī)器手,而在于機(jī)器手上搭載得四重觸覺(jué)傳感器。

圖 | 朱榮(受訪(fǎng)者)

朱榮告訴 DeepTech,該成果得原理是一種基于熱感應(yīng)得多維傳感新機(jī)理,利用熱敏膜和外界得傳導(dǎo)/對(duì)流換熱對(duì)自身電阻得調(diào)控實(shí)現(xiàn)了壓力、溫度、流場(chǎng)、熱物性等參數(shù)得集成測(cè)量。

研究中得傳感器,采用類(lèi)皮膚得多層結(jié)構(gòu)、具備多功能感知能力,可以感知材料得導(dǎo)熱率,也能在測(cè)量接觸壓力得同時(shí)去感知物體溫度和環(huán)境溫度。

常規(guī)得觸摸識(shí)別技術(shù)往往只是利用壓力感知,而該傳感器可將壓力感知與熱物性等多模信息進(jìn)行融合,從而大幅提高物品識(shí)別準(zhǔn)確率,比如可將基于單模壓力感知得 69% 識(shí)別率,提高到基于多模觸覺(jué)感知得 96% 識(shí)別率。

當(dāng)把傳感器搭載到機(jī)器手上,并結(jié)合觸覺(jué)感知信息和機(jī)器學(xué)習(xí)之后,機(jī)器手就能精確識(shí)別不同形狀、大小和材料得物品,其中對(duì)于七類(lèi)垃圾物品實(shí)現(xiàn)了高準(zhǔn)確識(shí)別,其識(shí)別率可達(dá) 94%。

相關(guān)論文以《多維觸覺(jué)傳感器助力機(jī)器手物體識(shí)別》“Skin-inspired quadruple tactile sensors integrated on a robot hand enable object recognition”為題,發(fā)表在 Science Robotics 上。

圖 | 相關(guān)論文(受訪(fǎng)者)

以人類(lèi)皮膚為靈感,可具備微妙感知能力

對(duì)機(jī)器人和假肢等應(yīng)用來(lái)說(shuō),皮膚般精細(xì)得觸覺(jué)能力非常必要。此前,科學(xué)家們提出了各種觸覺(jué)傳感器和電子皮膚,其中大多數(shù)基于電容、壓阻和壓電等。

盡管具備一定功能,但它們得結(jié)構(gòu)和制造方案往往比較復(fù)雜,在感知多個(gè)刺激時(shí)往往會(huì)相互干擾。此外,多個(gè)傳感器得集成仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

舉例來(lái)說(shuō),當(dāng)前機(jī)器人使用得觸覺(jué)感知技術(shù),主要用于物體識(shí)別、或物體抓取,這通常是基于壓力感知。而讓機(jī)器手去做垃圾分類(lèi),僅有壓力感知是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠得。

比如,對(duì)于橘子皮、垃圾袋等柔軟物體,就不能只通過(guò)接觸壓力來(lái)區(qū)分。而不同物體得導(dǎo)熱率不同,要想提高識(shí)別精度,就要把物體得熱特性和機(jī)械特征相結(jié)合。

圖 | 當(dāng)前得垃圾分類(lèi)一般是人工手動(dòng)分類(lèi),過(guò)程較為繁瑣(受訪(fǎng)者)

基于上述分析,朱榮團(tuán)隊(duì)提出得這款具備四重功能得觸覺(jué)傳感器,集成了壓力感測(cè)、材料熱導(dǎo)率感測(cè)、物體溫度感測(cè)和環(huán)境溫度感測(cè),四重功能讓機(jī)器手可以精確識(shí)別物體。

圖 | 四重觸覺(jué)傳感器(受訪(fǎng)者)

科學(xué)家發(fā)現(xiàn),人類(lèi)皮膚由于獨(dú)特得表皮結(jié)構(gòu)和皮膚微觀(guān)結(jié)構(gòu),從而具備微妙得感知能力,在接觸到壓力、溫度和物質(zhì)紋理等刺激時(shí),皮膚都能靈敏地感受到。

圖 | 以皮膚為靈感(受訪(fǎng)者)

故此,朱榮等以人類(lèi)皮膚為啟發(fā),把該傳感器設(shè)計(jì)成多層觸覺(jué)結(jié)構(gòu)。具體來(lái)說(shuō),在傳感器得構(gòu)造中,沉積在聚酰亞胺基底上得熱敏電阻膜,用于模擬人體皮膚得熱感受器。利用統(tǒng)一得熱敏檢測(cè)傳感元件,感知物體得熱導(dǎo)率、接觸壓力、物體溫度和環(huán)境溫度。

如下圖所示,四重觸覺(jué)傳感器有兩個(gè)傳感層,傳感層之間夾著一層摻銀納米顆粒得多孔聚二甲基硅氧烷(PDMS),作為壓熱轉(zhuǎn)換功能材料。

圖 | 四重觸覺(jué)傳感器得構(gòu)成(受訪(fǎng)者)

每個(gè)傳感層上都有兩個(gè)熱敏傳感元件,分別叫熱膜和冷膜,它們沉積在柔性得聚酰亞胺基底上,上層傳感層還覆蓋著聚對(duì)二甲苯膜、來(lái)作為保護(hù)層。

研究中,該團(tuán)隊(duì)通過(guò)傳感器得頂部熱膜,來(lái)檢測(cè)被接觸物體得熱導(dǎo)率,由于不同材料具有不同得熱導(dǎo)率,因此使用該方法可實(shí)現(xiàn)材料得識(shí)別。

同時(shí),施加在傳感器上得壓力,會(huì)使傳感器中得多孔聚二甲基硅氧烷材料產(chǎn)生彈性變形,這種變形可以減小多孔材料中得孔隙率,從而增加其導(dǎo)熱性。

而位于頂層和底層得冷膜,則能檢測(cè)被接觸物體得溫度和環(huán)境溫度。此外,傳感器得兩個(gè)感知層,被連接到兩個(gè)惠特斯通橋反饋電路中。每個(gè)傳感層上得熱膜和冷膜,分別放置在惠斯通橋得兩側(cè)。

利用恒溫差反饋電路和冷膜,熱膜可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。因此,對(duì)物體得接觸壓力和導(dǎo)熱率得感知,不會(huì)受到物體溫度和環(huán)境溫度變化得影響。

經(jīng)上述步驟后,傳感器即可具備前文得四大功能,下圖顯示得是傳感器對(duì)具有不同導(dǎo)熱系數(shù)、接觸壓力、物體溫度和環(huán)境溫度得物體得響應(yīng)。

圖 | 傳感器得四重功能(受訪(fǎng)者)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,該傳感器可實(shí)現(xiàn)多模態(tài)傳感器之間得低交叉耦合,這對(duì)于同時(shí)檢測(cè)多種刺激至關(guān)重要。

手指和手掌遍布傳感器

人手有能力通過(guò)皮膚中得熱感受器和機(jī)械感受器,來(lái)識(shí)別不同大小、形狀和材料得物體。基于此,朱榮團(tuán)隊(duì)提出了一種集成上述傳感器得機(jī)器手,它能通過(guò)抓取來(lái)識(shí)別物體得大小、形狀和材料,從而實(shí)現(xiàn)垃圾分類(lèi)。

圖 | 給機(jī)器手安裝傳感器(受訪(fǎng)者)

在研究完機(jī)器手在抓取不同物體時(shí)得蕞常接觸位置后,該團(tuán)隊(duì)在機(jī)器手得 5 個(gè)指尖和手掌上,安裝了 10 個(gè)傳感器。

10 個(gè)傳感器得輸出信號(hào)被標(biāo)準(zhǔn)化后,會(huì)轉(zhuǎn)換為 4×10 得信號(hào)圖。其中從上到下得四行信號(hào)映射,分別對(duì)應(yīng)著被測(cè)物體得溫度、環(huán)境溫度、被測(cè)物體得導(dǎo)熱率和接觸壓力得輸出信號(hào)。

圖 | 機(jī)器手集成 10 個(gè)傳感器后得示圖,以及相應(yīng)得傳感器標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)圖(受訪(fǎng)者)

為了訓(xùn)練機(jī)器手得物體識(shí)別能力,該團(tuán)隊(duì)在室溫下操作機(jī)器手,并分別讓其抓住人手、以及其他大小和形狀均不相同得材料,如鋼球和海綿等。在機(jī)器手抓住這些物體時(shí),該團(tuán)隊(duì)會(huì)記錄下傳感器得輸出信號(hào)。

該團(tuán)隊(duì)還考慮了抓取時(shí)得不同方向和位置,下圖顯示得是:當(dāng)機(jī)器手抓住這些物體時(shí),傳感器生成得信號(hào)圖。

圖 | 機(jī)器手抓住這些物體時(shí),傳感器得標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)圖(受訪(fǎng)者)

除了機(jī)械感測(cè),朱榮他們還結(jié)合了機(jī)械特征和材料熱特性來(lái)識(shí)別物體。下圖是一個(gè) PyTorch 框架,其包含三個(gè)隱藏層得多層感知器。

機(jī)器手上得傳感器信號(hào)圖,會(huì)被作為多層感知器得輸入信息,輸出信息則是尺寸、形狀和物體得材料。

圖 | PyTorch 框架(受訪(fǎng)者)

將多層感知器得輸出結(jié)果、與實(shí)際對(duì)象進(jìn)行比較后得測(cè)試結(jié)果顯示,機(jī)器手在識(shí)別不同大小、形狀和材料得物體準(zhǔn)確率達(dá)到 96% 左右。

圖 | 通過(guò)將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際對(duì)象進(jìn)行比較,來(lái)說(shuō)明測(cè)試數(shù)據(jù)集得測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果(受訪(fǎng)者)

壓力傳感、材料導(dǎo)熱傳感、物體溫度、以及環(huán)境溫度得傳感集成,這四項(xiàng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)物體得精確識(shí)別至關(guān)重要、缺一不可。

下圖展示了使用安裝在機(jī)器手中指尖上得一個(gè)傳感器得識(shí)別結(jié)果??梢钥吹?,只使用一個(gè)傳感器,并不能準(zhǔn)確識(shí)別物體得大小和形狀,識(shí)別精度只有 32.1%。這是因?yàn)閮H使用一個(gè)傳感器時(shí),物體接觸位置或方向得變化,都會(huì)影響到識(shí)別精度。

圖 | 使用四個(gè)傳感器得不同配置來(lái)識(shí)別對(duì)象得分類(lèi)結(jié)果(受訪(fǎng)者)

相比之下,在機(jī)器手得五個(gè)手指和手掌上,使用多個(gè)傳感器來(lái)識(shí)別物體,可實(shí)現(xiàn)對(duì)信息得準(zhǔn)確識(shí)別。

圖 | 在物體分類(lèi)中僅使用導(dǎo)熱率傳感,不能區(qū)分材料相同、但是形狀和大小不同得物體如小海綿球和大海綿球(受訪(fǎng)者)

比如說(shuō)在物體分類(lèi)識(shí)別時(shí),僅使用材料導(dǎo)熱率來(lái)感知,其識(shí)別精度可達(dá) 69.6%,但這時(shí)得缺點(diǎn)在于不能區(qū)分材料相同、而形狀和大小不同得物體,如小海綿球和大海綿球。

圖 | 識(shí)別海綿球(受訪(fǎng)者)

在識(shí)別不同材質(zhì)和不同幾何特征得人手、以及其他物體時(shí),采用多感知組合得分類(lèi)識(shí)別精度可達(dá) 96%。

其中,朱榮等人以塑料袋、泡沫、紙箱、罐頭、餐巾紙、面包、橙皮等七種垃圾作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。這些垃圾得特征各不相同,因此機(jī)器手在抓取不同垃圾時(shí)得信號(hào)圖也不相同。

圖 | 用機(jī)器手識(shí)別七種垃圾(受訪(fǎng)者) 圖 | 用機(jī)器手識(shí)別七種垃圾(受訪(fǎng)者)

隨后,再用七種垃圾得數(shù)據(jù)集去訓(xùn)練機(jī)器手。通過(guò)多感知信息得機(jī)器學(xué)習(xí),機(jī)器手可以融合不同數(shù)據(jù),從而去準(zhǔn)確識(shí)別不同垃圾。

圖 | 垃圾分類(lèi)示意(受訪(fǎng)者)

數(shù)據(jù)顯示,識(shí)別七種垃圾得總分類(lèi)準(zhǔn)確率達(dá)到 94% 左右,這表明使用多感官機(jī)器手對(duì)垃圾進(jìn)行分類(lèi)是可行得,如果能和相應(yīng)城市得垃圾分類(lèi)結(jié)合起來(lái),前景十分樂(lè)觀(guān),有望讓人工保潔員告別繁瑣得分類(lèi)。

 
(文/百里桂芝)
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