綜述背景
在視觸覺傳感領(lǐng)域，力測(cè)量技術(shù)一直都是是研究重點(diǎn)。近期，方斌教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表的Advanced Intelligent Systems 綜述論文，深入探討了標(biāo)記屬性與力量測(cè)量精度的關(guān)系，提出了優(yōu)化標(biāo)記設(shè)計(jì)的潛在解決方案。討論了基于視覺的觸覺傳感器力量測(cè)量技術(shù)，深入探討了力量感應(yīng)原理、標(biāo)記類型、測(cè)量方法及應(yīng)用場(chǎng)景等，為VTS的力量測(cè)量提供了全面而深入的技術(shù)細(xì)節(jié)。幫助相關(guān)領(lǐng)域的研究者們促進(jìn)力測(cè)量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
綜述概述
標(biāo)記型視覺觸覺傳感器（VTS）通過標(biāo)定標(biāo)記矢量信息實(shí)現(xiàn)力的感知，觸覺可視化可以提供高精度、多模態(tài)的力信息，促進(jìn)機(jī)器人靈巧操作的發(fā)展。考慮到VTS對(duì)力測(cè)量的貢獻(xiàn)，本文綜述了VTS先進(jìn)的力測(cè)量技術(shù)。首先，介紹標(biāo)記型VTS的工作原理，包括單層標(biāo)記、雙層標(biāo)記、顏色編碼和光流。然后，詳細(xì)討論了標(biāo)記類型與力測(cè)量類別的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了標(biāo)記特征提取的過程，包括圖像處理和標(biāo)記匹配技術(shù)。根據(jù)學(xué)習(xí)方式，力測(cè)量方法分為物理和深度學(xué)習(xí)模型。進(jìn)一步，從輸入類型的角度分析了每種方法的分支。結(jié)合測(cè)量范圍和精度，進(jìn)一步討論了傳感器設(shè)計(jì)、材料和識(shí)別方法與力測(cè)量性能的相關(guān)性。最后，分析了困難和挑戰(zhàn)，并提出了未來的發(fā)展方向。本綜述旨在加深對(duì)該研究進(jìn)展和應(yīng)用的了解，為研究界提供參考，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)更新。
這篇工作中將目前市面上的力感知技術(shù)按照幾個(gè)大類進(jìn)行了分類。
1. 傳感原理
視觸覺傳感器的原理是利用相機(jī)接收表面形變信息來實(shí)現(xiàn)對(duì)外界感知的。但作者將接受信息的原理類型進(jìn)行再劃分。如文中對(duì)原理分類為單層標(biāo)記物、雙層標(biāo)記物、顏色編碼、光流和其他特殊標(biāo)記方式。針對(duì)目前這幾種標(biāo)記方式進(jìn)行了分類和討論。
2. 標(biāo)記類型
圓形標(biāo)記的可靠性已在大量實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。密集標(biāo)記本質(zhì)上也是圓形標(biāo)記。隨機(jī)性提高了觸覺數(shù)據(jù)的穩(wěn)健性，以應(yīng)對(duì)更復(fù)雜的接觸情況。考慮到多模態(tài)集成，圓形標(biāo)記目前仍然是首選。如果僅考慮力測(cè)量，我們認(rèn)為密集標(biāo)記和三角形/正方形標(biāo)記具有更大的潛力。然而，三角形和正方形標(biāo)記的分布不能像圓形標(biāo)記那樣展開。它們需要通過連續(xù)邊界連接。邊界線的變形表示也可以提供豐富的力信息，類似于有限元。
3．力測(cè)量方法
物理模型需要研究者深刻理解變形原理，重構(gòu)變形過程，側(cè)重于彈性體的物理性質(zhì)和力效應(yīng)，屬于彈性力學(xué)范疇。但彈性體的變形狀態(tài)復(fù)雜，用物理模型難以全面解釋任何條件下的變形。深度學(xué)習(xí)模型以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式構(gòu)建輸入與輸出的映射關(guān)系，理論上數(shù)據(jù)越全面，數(shù)據(jù)規(guī)模越大，模型的泛化程度越高。然而，標(biāo)記物圖像的非均勻性給深度學(xué)習(xí)模型帶來了挑戰(zhàn)。這源于標(biāo)記物類型的差異以及制備過程中不可避免的誤差。如第3節(jié)所述，3D打印標(biāo)記物和密集標(biāo)記物可以彌補(bǔ)制備誤差。此外，我們認(rèn)為兩種模型的結(jié)合可能是互補(bǔ)的。基于彈性理論，可以通過深度學(xué)習(xí)模型獲得一些非線性參數(shù)，降低了對(duì)數(shù)據(jù)規(guī)模的要求，提高了模型的泛化能力。
4. 力精度測(cè)量
論文中還對(duì)目前出現(xiàn)的力測(cè)量精度和范圍進(jìn)行了總結(jié)。（具體文獻(xiàn)見論文原文）
總結(jié)
本文介紹了基于標(biāo)記型視覺觸覺傳感器（VTS）的力量測(cè)量技術(shù)。VTS通過校準(zhǔn)標(biāo)記矢量信息實(shí)現(xiàn)力量感應(yīng)，提供高精度和多模態(tài)力信息，推動(dòng)機(jī)器人靈巧操作的發(fā)展。文章首先介紹了單層標(biāo)記、雙層標(biāo)記、彩色編碼和光流等標(biāo)記型VTS的工作原理，深入討論了標(biāo)記類型與力量測(cè)量類別之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了標(biāo)記特征提取的過程，包括圖像處理和標(biāo)記匹配技術(shù)。根據(jù)學(xué)習(xí)方法，將力量測(cè)量方法分類為物理模型和深度學(xué)習(xí)模型，分析了各方法的分支及輸入類型。結(jié)合測(cè)量范圍和精度，進(jìn)一步討論了傳感器設(shè)計(jì)、材料和識(shí)別方法對(duì)力量測(cè)量性能的相關(guān)性。最后，分析了困難和挑戰(zhàn)，并提出了未來的發(fā)展方向。
期刊簡(jiǎn)介
Wiley旗下智能系統(tǒng)領(lǐng)域開放獲取旗艦刊。期刊收錄關(guān)于具有刺激或指令響應(yīng)智能的人造裝置系統(tǒng)的研究，包括機(jī)器人、自動(dòng)化、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、人機(jī)交互、智能傳感和程序化自組裝等前沿應(yīng)用。Advanced Intelligent Systems最新的期刊引文指標(biāo)1.11，期刊影響因子6.8，在計(jì)算機(jī)科學(xué)，人工智能和自動(dòng)化與控制系統(tǒng)中分類皆為Q1。(源自Clarivate 2023)
