当前位置:首页 > 公众号精选 > 电子与信息学报
[导读]物体感知是智能机器人的基本技能,是执行任务的基础。随着机器人智能化的快速发展,机器人具备了语言识别与理解、计算机视觉等功能。

中图分类 TP183:人工神经网络与计算


贵州大学李少波等人在《电子与信息学报》发表最新论文:

具有正则化约束的脉冲神经网络机器人触觉物体识别方法 >>

文章提出了一种基于触觉的机器人物体识别方法,针对脉冲神经网络中神经元脉冲活动离散性导致网络训练过程反向传播失效问题,引入脉冲活动近似函数;

针对过拟合问题,融合正则化方法加以缓解。实验分析表明了正则化模型的触觉物体识别率有显著提升。

总体而言,该文工作具有较好的创新性和学术价值。

背 景

物体感知是智能机器人的基本技能,是执行任务的基础。随着机器人智能化的快速发展,机器人具备了语言识别与理解、计算机视觉等功能。

此外,时下大部分机器人没有触觉感知能力,更没有像人类一样使用触觉去感知不同物体的能力,而触觉传感器能够提供温度、粗糙度、压力等视觉与听觉无法提供的信息,能够辅助智能机器人适应更多工作场景。

因此研究机器人触觉感知方法对促进智能机器人拥有与人类相似的触觉感知能力具有重要意义。

图1 机器人触觉系统

脉冲神经网络(Spiking Neural Network,SNN)受人类神经元工作方式启发,通过时空动力学模仿人类神经行为,并使用二进制脉冲信号在神经元之间进行通信,在生物学设计上也更加合理。并且脉冲神经网络能够应用于神经拟态芯片上,能够更快地处理AI任务,带来更高的能效。

然而,相较于传统卷积神经网络,SNN的神经元之间由于通过离散的二进制信号0或1传递信息,这导致了在采用反向传播完成参数更新时,梯度下降法的失效。

此外,模型训练需要大量的数据样本支撑,以得到更优的网络参数。而现有机器人触觉脉冲数据样本较少,如何缓解数据量较少导致的过拟合问题得到更优的网络性能,也是挑战之一。

为应对以上挑战,贵州大学李少波、杨静、吉晓阳等人及其合作团队提出了一种具有正则化约束的脉冲神经网络机器人触觉物体识别方法:

首先,作者分析了SNN神经元与脉冲活动之间的关系,并通过脉冲活动的近似函数缓解梯度下降法在反向传播中的失效问题。

进一步地,提出了一种具有正则化约束的脉冲神经网络机器人触觉物体识别方法,缓解模型的过拟合问题,提升SNN网络模型的鲁棒性。

实验结果显示,该文方法提出的SnnTd正则化方法触觉物体识别率在EvTouch-Containers数据集上比最好方法TactileSGNet提升了5.00%,SnnTdlc正则化方法触觉物体识别率在EvTouch-Objects数据集上则提升了3.16%。

研究方法

(1) SNN的反向传播

根据SNN的预测结果,计算网络输出与标签之间误差平方和的均值,即网络模型损失函数L在时间窗口T内平均投票结果的均方误差

其中S为触觉数据训练样本的总量,是第s个触觉数据样本的标签,是输出层的结果。对于标签为的训练样本,触觉模型理想情况是代表第类的神经元具有最高的输出值。

图2 脉冲神经网络的空域和时域传播过程

从图2可以看出,神经元前向传播中,第n层神经元膜电位由空域中第n-1层神经元的输出脉冲,以及时域中第n层神经元t-1时刻的神经元膜电位共同决定。

而在反向传播过程中,第n层神经元膜电位在空域上影响第n-1层神经元的输出脉冲,在时域上影响第n层神经元t-1时刻的神经元膜电位

综上,通过复合函数的链式法则得到损失函数L与权重w、偏置b之间的关系:

其中,表示t时刻第n层脉冲神经元的膜电位,表示t时刻第n层是否产生脉冲,若产生脉冲,,否则

采用连续函数模拟脉冲活动的反向传播,使得梯度下降法有效,即

(2) 正则化约束

Dropout正则化方法通过随机丢弃神经网络中网络层上的神经元,构建不同的训练子网络,使每次训练时采用的网络不相同,这类似于在模型中加入高斯噪声,间接使得模型接收到不同的输入数据,缓解数据量少的问题,进而使模型的过拟合问题得到缓解。将Dropout方法引入脉冲神经网络,通过随机丢弃LIF神经元,提升神经网络的预测能力。图3展示了LIF神经元的Dropout工作方式。

图3 LIF神经元中的Dropout

L2权重衰减是通过限制权重的选择范围控制模型参数容量,在一定程度上缓解模型的过拟合问题,通过结合Adam优化算法以及余弦退火算法,作者提出具有L2正则化约束的脉冲神经网络机器人触觉物体识别算法

实验分析

该文考虑了2个不同的触觉脉冲数据集,并在每个数据集上进行了80次实验,每组实验重复10次。


(1)EvTouch-Containers数据集

包含4种容器在5种容量(0%, 25%, 50%, 75%, 100%)下的触觉脉冲数据,即共有20种不同的触觉脉冲数据,每个数据划分为325个时间片段。每种物体采集15次,共300组数据。

根据图4(a),融合Dropout正则化方法的SnnTdc,SnnTdlc,SnnTd和SnnTdl模型的TrainingLoss收敛值大于其他模型,且引入余弦退火算法模型的收敛值相对更低。从图4(b)中可以看出,没有采用余弦退火算法的SnnTl,SnnT,SnnTd和SnnTdl模型在第40 Epoch处TestLoss变化较大。

图4 EvTouch-Containers数据集Loss值变化情况

(2)EvTouch-Objects数据集

包含36种不同物体的触觉脉冲数据,每个数据划分为250个时间片段。每种物体采集20次,共720组数据。

图5 Acc,TrainingLoss和TestLoss 10次实验结果

根据图5(a),除SnnTc模型外,其它模型的箱体位置均高于SnnT模型,其中SnnTdlc和SnnTdl模型的位置最高且较小,这表明了这2种模型的Acc值相对稳定且值更大。从图5(b)中可以看出,融合了Dropout正则化方法的SnnTd,SnnTdl,SnnTdc和SnnTdlc的TrainingLoss值的箱体位置较高。

根据图5(c),SnnT,SnnTl,SnnTc和SnnTlc模型的TestLoss值的箱体位置处于图中的下半部分,低于其它4种模型。

(3) 混淆矩阵

混淆矩阵展示了模型在EvTouch-Containers和EvTouch-Objects数据集上测试集的分类结果。根据图6(a),SnnTd模型在EvTouch-Containers触觉脉冲数据集上出现预测错误类别主要是第1类到第6类,第16类到第19类。根据图6(b),SnnTdlc模型在EvTouch-Objects触觉脉冲数据集上第20类到第36类上全部识别正确,但第16类到第19类出现了识别错误的情况。

图6  正则化模型在不同数据集上的混淆矩阵

总结

面向智能机器人触觉感知能力,本文针对机器人触觉物体识别算法展开研究。通过脉冲神经网络脉冲活动近似函数,缓解网络训练中反向传播梯度下降法失效问题。通过融合正则化方法,缓解触觉脉冲数据量少导致的过拟合问题。

实验结果表明,SnnTd正则化方法在EvTouch-Containers数据集上的触觉物体识别率比表现最好的TactileSGNet方法提升了5.00%,SnnTdlc正则化方法的触觉物体识别率在EvTouch-Objects数据集上提升了3.16%。

在后续的研究中,将重点关注识别出现错误的数据,进一步完善机器人触觉物体识别算法,提升模型的识别能力,为将来应用于工业智能机器人触觉抓取感知以及帮助残障人士的服务机器人触觉感知等场景打下坚实基础。

本站声明: 本文章由作者或相关机构授权发布,目的在于传递更多信息,并不代表本站赞同其观点,本站亦不保证或承诺内容真实性等。需要转载请联系该专栏作者,如若文章内容侵犯您的权益,请及时联系本站删除。
换一批
延伸阅读

古典梦幻的巴洛克歌剧院舞台上,几位演员穿着华美的戏服,向着黑暗中的观众表演歌唱……今年9月在美国的一场艺术博览会上,这幅名为《太空歌剧院》的图画夺得了数字艺术创作类大奖冠军。然而一时间,围绕这幅画的争论甚嚣尘上。因为,这...

关键字: 人工智能 智能机器人 无监督ML算法

构建“5G数字急救”体系,形成统一指挥、功能完备、响应迅速、协同高效、处置有力的急救信息化系统,推进院前医疗急救与院内救治的信息互联互通,形成衔接有序的院前急救和院内救治服务通道。推进数据对接,加强与相关部门的公共卫生事...

关键字: 智慧医疗 5G数字急救 智能机器人

影刀RPA是物流自动化的重要工具,7×24小时无间断工作的RPA智能机器人,高效、稳定、不出错,为物流公司节省了大量人力、时间成本,对于现存大量人工手动执行的物流公司来说无疑是眼前一亮。

关键字: 影刀RPA 智能机器人 物流自动化

人工智能下一步发展,需要全方位地开放一些场景,并要有政策来鼓励创新主体使用人工智能技术。“上海之所以能够发展人工智能产业,就是因为上海是一个超级巨大的场景城市,上海产业类别全,同时服务业高度发达,我们有各种各样的大容量高...

关键字: 人工智能 无人系统 智能机器人

深圳2022年9月26日 /美通社/ -- 近日,一则探访福建安溪茶企的视频引起了海内外网友的广泛关注,让更多人了解到茶行业已经走在科技前沿。 不久前,澳大利亚人气视频博主Amy来到铁观音的发源地福建安溪,深入探访了由...

关键字: 智能化 智慧农业 物联网 智能机器人

近日,兆易创新与北京市科学技术研究院联合宣布,合作共建远程自主智能机器人芯片应用实验室,并在2022国际自主智能机器人大赛开幕上举行隆重的揭牌仪式。

关键字: 兆易创新 智能机器人 芯片

深圳2022年9月16日 /美通社/ -- 最近,一位人气非常高的澳大利亚视频博主Amy探访了中国十大名茶之一铁观音的发源地 -- 中国福建省泉州市安溪县,并深入探访了由铁观音第十三代传承人王文礼所创立的八马茶...

关键字: 智能化 智能机器人 自动化 BSP

[江苏,南京] 近日,专注于无线通信图传和AI视觉SoC芯片的上海酷芯微电子有限公司(以下简称“酷芯”)携热门芯片解决方案参展2022国际集成电路展览会暨研讨会(IIC)。酷芯联合创始人兼CTO沈泊先生受邀出席IIC旗下...

关键字: 酷芯 AI 智能机器人

“他们”是不会感染的采样员、快递员,也可以在方舱里引导人流、及时消杀、活跃气氛,在小区里又化身成不知疲惫的搬运工,将生活物资源源不断地送到各家各户。“他们”就是功能各异的智能抗疫机器人。多人工智能企业对防疫机器人不断迭代...

关键字: 智能机器人 防疫机器人 核酸采样机器人

截至2022年6月底,全国机动车保有量达4.06亿辆,其中汽车3.10亿辆,新能源汽车1001万辆;机动车驾驶人4.92亿人,其中汽车驾驶人4.54亿人。2022年上半年全国新注册登记机动车1657万辆,新领证驾驶人11...

关键字: 智能机器人 停车机器人 机器人

编辑精选

技术子站

关闭