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以卷積神經網路及資料擴增方式訓練識別低應 力響應物件形貌人工智慧模型之方法
作者
林孟璇、陳裕文、蔡承翰、羅丞曜
刊登日期:2026/08/01
摘要
隨著人工智慧技術躍進,觸覺感測已成為智慧系統於複雜環境中進行互動與感知的關鍵技術。然而,
低成本平面陣列感測器普遍面臨空間解析度受限以及物體重量與幾何形狀特徵高度耦合等挑戰,導致辨
識精準度難以提升。本研究提出一種觸覺辨識運算框架,採用16 × 16 軟性薄膜壓力感測陣列,依序透過
數據收集、特徵解耦、擴增建模及智慧辨識之系統化流程進行分析,並透過壓力總和標準化消除絕對重
量干擾,強制模型優先提取幾何特徵。在模型評估方面,提案方法開發一套整合空間位移、幾何旋轉、
插值縮放與隨機高斯雜訊之十倍資料擴增流程。此外,本方法亦針對33 種常用機器學習演算法與最佳化
之輕量化卷積神經網路建立完整測試。實驗結果顯示,相較於傳統模型在一般測試中之差強人意表現,
所提出之輕量化卷積神經網路架構於資料擴增後,在新舊測試集中均達成100% 辨識準確率。本方法透過
數位訊號處理與深層表徵學習實證,可補償低解析度訊號之限制,為智慧觸覺辨識應用建立一套標準高
效建模流程。
Abstract
Abstract:With artificial intelligence evolving at breakneck speed, tactile sensing has become a key for intelligent
systems to interact with and perceive complex environments. However, cost-effective planar array sensors
face challenges, such as limited spatial resolution and strong coupling between weight intensity and geometric
features, they restrict the accuracy of object recognition. This study proposes a computational framework for
tactile object recognition using a 16 × 16 flexible thin-film force sensor array for data acquisition. The system
follows a systematic data acquisition, feature decoupling, augmentation, and recognition architecture. A forcesum
normalization is implemented to eliminate absolute weight interference, forcing the model to prioritize the
extraction of spatial geometric features. To address practical challenges, such as insufficient sample variations and
sensor drift, a 10-fold data augmentation pipeline comprising spatial translation, geometric rotation, interpolative
scaling, and Gaussian noise injection was developed to expand the training set. A comprehensive benchmark
was established by assessing 33 traditional machine learning methods alongside a customized lightweight
convolutional neural network (CNN) optimized for tensor-formatted data. Results show that while traditional
models suffer significant accuracy deterioration when facing new test sets, the proposed CNN architecture
consistently achieves 100% recognition accuracy across both original and new test sets after augmentation, which
confirms that data augmentation and deep learning can effectively compensate for the hardware limitations of lowresolution
sensors.
前言
在工業自動化與智慧機器人領域中,物件辨識與環境互動已成為驅動智慧機器人與自動化系統進化的重要一環。現行技術雖以視覺回饋為主流,但在陰影遮蔽、光照波動[1]或物件外觀高度相似的複雜情境下[2],單一視覺系統的可靠性往往受到限制。相較之下,觸覺或壓力感測因具備直接的物理互動資訊,能於環境中穩定提取物件幾何輪廓[3][4]。
然而,許多觸覺研究受限於昂貴的機器人手臂與夾爪系統之門檻,而具備成本效益的低解析度平面陣列感測器,在實際應用上卻容易受制於雜訊干擾與特徵耦合等瓶頸。特別是當物件存在顯著重量差異時,機器學習模型易被力量強度誤導,使非幾何特徵分類之辨識精度不佳[5],限制其應用。
即便如此,低成本平面陣列感測器具備良好的應用潛力。因此,如何在低解析度的壓力數據中準確提取特徵,是目前觸覺智慧化的關鍵挑戰。本研究因此以低解析度壓力感測陣列為例,提出一套整合數位訊號處理與機器學習的流程,透過壓力標準化[6]與高倍率資料擴增技術,實現低成本硬體下的高精度辨識。
實驗透過對具備複雜特徵之標的(如:腳掌、板手與刮刀)進行驗證,評估系統在區別不規則輪廓時的表現。每種類別初始收集 100 筆壓力影格,手動預留每類 20 筆作為原始測試集,並另外加入於不同時間收集之 10 筆新樣本作為新測試集。由於此些樣本數不足以訓練高可信度之人工智慧模型,因此提案搭配資料擴增方式合理地提升樣本複雜度。
本研究以智慧系統與環境互動之物件辨識為應用場景,提出一套能對低解析度觸覺響應的機器學習模型與辨識系統,其應用範圍除了包含可穿戴式介面外,亦涵蓋工業工具管理[7]、智慧零售貨架[8]、醫療復健監測[9]以及生產線的品質控管等。
提案概念為透過數位訊號處理與特徵學習,有效補償低成本感測陣列的硬體侷限。首先,經由軟性薄膜感測器收集原始觸覺圖像,透過壓力總和標準化解耦壓力強度與幾何形狀,使模型優先提取幾何特徵;再導入空間位移、幾何旋轉、插值縮放與隨機高斯雜訊,將資料量擴增為十倍,解決樣本變異不足與感測器漂移造成的挑戰。
DOI:10.30256/JIM.202608_(521).0012
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2026年08月號
(單篇費用:參考材化所定價)