面向手势识别的智能电子皮肤研究

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近年来,机器人学科和仿生学的快速发展使得机器人能够在听觉和视觉等方面模仿甚至是超越人的行为。由于机器人应用场景复杂多变的特点,提升机器人对于触觉信号感知能力的需求日益突出。电子皮肤可简单的定义为由不同类型传感器组成的电子系统,机器人或者假肢可通过电子皮肤实现对外界的交互。虽然电子皮肤已在触感功能方面取得了重大成就,但是在实际应用方面存在着一些问题。制备电子皮肤传感元件涉及到高的设计复杂度和设备成本,这对于生产能力和成本是主要关心问题的应用场景而言是不合理的。此外,现有电子皮肤的研究主要体现在高分子材料的合成和传感器单元的结构设计,电子皮肤的智能特点受到很少的关注。本文提出了一种设计复杂度简单、低成本和智能型的电子皮肤系统,该系统由电容型传感阵列、数据采集电路和数据处理三个部分组成。本实验采用纯手工的方法制备出了聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜。PDMS薄膜是电容型传感器阵列的介质层。所设计的传感器阵列包含35个电容型触感单元,每个传感单元是三明治结构。由于PDMS薄膜具备了柔性、可弯曲和可拉伸的特性,使得传感器阵列可以依附在具有不规则形状的物体表面。为了实现压力/触摸信号到电学信号的转化,设计出了数据采集电路模块,数据采集电路可以将电容式传感器阵列的电容变化转化为电压信号。电容式触摸传感器控制器可以用来检测电容的变化。电容式触摸传感器控制器与数据采集平台之间的数据传输是通过I~2C总线实现的。为了赋予电子皮肤智力感知能力,本设计引入了长短期记忆神经网络算法(LSTM)。其中,LSTM是基于时序建模的神经网络算法。经过合理的LSTM神经网络算法设计,使得神经网络的训练准确率达到了100%。所设计的电子皮肤系统能够正确的完成对4种手势的识别任务。为了考察电子皮肤系统手势识别率的稳定性,进行了500次的重复性实验,实验验证了电子皮肤系统的手势识别率稳定的维持在80%以上。此外,分别考察了折叠、曲率、拉伸强度和温度对电子皮肤系统手势识别率的影响,实验结果展示了外在条件对电子皮肤系统手势识别率有很小的影响。
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