直接腦控機(jī)器人接口技術(shù)

巴成林

摘 要 在現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)發(fā)展帶動(dòng)作用下，作為一種新興的人-機(jī)器人接口技術(shù)—直接腦控機(jī)器人技術(shù)成為了當(dāng)下機(jī)器人控制研究領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容之一。文章首先對腦控機(jī)器人接口內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并對BCRI關(guān)鍵技術(shù)之一進(jìn)行了分析，已為今后直接腦控機(jī)器人接口技術(shù)參考使用。

【關(guān)鍵詞】腦控機(jī)器人接口 腦-機(jī)器接口 腦-計(jì)算機(jī)接口 人-機(jī)器人接口

腦控機(jī)器人接口，英文簡稱BCRI。在過去，直接腦控機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用只能夠?qū)C(jī)器人和外設(shè)進(jìn)行一些較為簡單的控制，對于連續(xù)性、精細(xì)化以及復(fù)雜的控制還未實(shí)現(xiàn)，因此當(dāng)前直接腦控機(jī)器人研究的主要任務(wù)就是對機(jī)器人控制的連續(xù)、精細(xì)以及復(fù)雜化化研究，以切實(shí)提高控制機(jī)器人的正確、安全和可靠性等。

1 腦控機(jī)器人接口

1.1 BCRI概述

BMI/BCI在應(yīng)用過程中，其通信和控制的信號源是由思維意圖所產(chǎn)生的腦信號，對產(chǎn)生的腦信號進(jìn)行采集、處理、機(jī)器人學(xué)習(xí)、模式識別等多個(gè)途徑就可以進(jìn)一步明確思維意圖，從而為控制信號與外部設(shè)備之間的直接通信和控制成為現(xiàn)實(shí)。在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展背景下，BMI/BCI研究應(yīng)用范圍不再局限在通信領(lǐng)域、腦信號打字和瀏覽網(wǎng)頁等方面，在控制外部設(shè)備方面的研究應(yīng)用價(jià)值也越來越突出。直接BCRI就是以BMI/BCI識別思維意圖為依托，實(shí)現(xiàn)對外部機(jī)器人進(jìn)行控制的應(yīng)用技術(shù)，該技術(shù)在應(yīng)用過程中不需要依賴大腦輸出通路，只需要由大腦思維活動(dòng)產(chǎn)生的腦信號，并通過現(xiàn)代化技術(shù)設(shè)備的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)腦信號直接控制機(jī)器人的目的，如圖1所示。

事實(shí)上，BCRI實(shí)現(xiàn)只需要硬件系統(tǒng)及其軟件系統(tǒng)結(jié)合。如圖1中“×”所代表的意思是該信號途徑在應(yīng)用過程中可以舍去，或者是遇到該信號途徑應(yīng)當(dāng)選擇繞過。另外BCRI系統(tǒng)中反饋主要包括以下幾種。即最外環(huán)反饋、腦控機(jī)器人接口輸出的控制狀態(tài)向用戶反饋、機(jī)器人或者是外部設(shè)備本身所形成的智能自動(dòng)控制、腦控機(jī)器人接口所輸出的控制狀態(tài)誤差反饋?zhàn)赃m應(yīng)特征等。

1.2 BCRI控制策略

當(dāng)前有關(guān)BCRI控制策略研究主要有兩種，即以目標(biāo)選擇為基的控制策略（TSS）和以運(yùn)動(dòng)為基的控制策略（MCS）。其中以目標(biāo)選擇為基礎(chǔ)的控制策略，用戶在使用過程中主要是利用BCRI中BMI/BCI模塊功能將粗粒度控制信號向機(jī)器人系統(tǒng)的RMCAI模塊傳輸，例如利用該控制策略可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人去廚房、到冰箱取東西等，因此可以斷定這些都隸屬于任務(wù)級別中的高級指令。而以運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)的控制策略，用戶在使用過程中也主要是利用BCRI中BMI/BCI模塊功能進(jìn)行控制信號的傳輸，但是不同的是該控制信號為細(xì)粒度控制命令，可以命令機(jī)器人向左右移動(dòng)，隸屬于運(yùn)動(dòng)參數(shù)的低級命令。

2 BCRI關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 BMI/BCI模塊同RMCA模塊適應(yīng)和融合的必要性

首先，在應(yīng)用研究中發(fā)現(xiàn)，BMI/BCI受到自身技術(shù)準(zhǔn)確性、速度以及可靠性偏低等因素的影響，技術(shù)應(yīng)用過程中尤其是針對一些速度快、復(fù)雜性高的運(yùn)動(dòng)序列的反應(yīng)還比較慢，但是對于機(jī)器人而言，在具體應(yīng)用過程中要求控制的實(shí)時(shí)性、連續(xù)性以及復(fù)雜性等精細(xì)化控制，特別注重機(jī)器人控制中的穩(wěn)定性，因此僅僅依靠映射思維信號來控制機(jī)器人行動(dòng)效果并不理想。而BMI/BCI指令則會(huì)同機(jī)器人傳感器信號進(jìn)行融合，可以作為機(jī)器人的“導(dǎo)航者”，從這方面分析可以看出，BMI/BCI在腦控機(jī)器人中的應(yīng)用將是直接腦控機(jī)器人研究的重點(diǎn)。其次，BMI/BCI與RMCAI應(yīng)用之間的兼容性較差，因此為了后續(xù)的應(yīng)用兩者必須進(jìn)行一定的適應(yīng)和融合。對于BMI/BCI而言，其主要功能就是對與用戶思維意圖有關(guān)的腦信號進(jìn)行解讀，清晰用戶控制目的，因此該應(yīng)用輸出主要以邏輯控制信號為主，但是對于RMCAI而言，其功能是對用戶外周神經(jīng)等輸入的控制目的進(jìn)行接受，因此該應(yīng)用輸入則主要以語義控制信號為主。

2.2 BMI/BCI模塊同RMCA模塊適應(yīng)和融合方法研究

現(xiàn)階段，BMI/BCI模塊同RMCA模塊適應(yīng)和融合方法主要包括BMI/BCI模塊與RMCAI模塊的協(xié)同控制、融合用戶圖形接口等。首先，受到BMI/BCI應(yīng)用性能的限制，在進(jìn)行融合過程中可以通過對智能自主或者是半自主機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)作能力的應(yīng)用來為用戶提供一個(gè)高層析的執(zhí)行控制，已為高級規(guī)劃的完成創(chuàng)造條件。而對于用戶來說只需要在BCRI菜單系統(tǒng)中進(jìn)行意圖以及意外情況處理等的選擇，剩余的中間規(guī)劃以及低層執(zhí)行則會(huì)通過自主導(dǎo)航系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等來完成，且整個(gè)完成過程具有高效性、高可靠性性等方面的特點(diǎn)。其中自主導(dǎo)航系統(tǒng)功能是控制并對機(jī)器人或者是機(jī)械手等進(jìn)行位置移動(dòng)直至到達(dá)既定的位置或者是靠近目標(biāo)操作物體，而移動(dòng)過程中也會(huì)智能化的繞過傳感器所探測出的各種障礙。智能控制系統(tǒng)應(yīng)用則為連續(xù)的、精細(xì)化控制的實(shí)現(xiàn)提供給了可能。另外，現(xiàn)階段，通過自主導(dǎo)航系統(tǒng)中環(huán)境模型生成器的應(yīng)用可以構(gòu)建模型靜態(tài)障礙或者是自由空間，而該生成器在構(gòu)建模型過程中主要是利用二進(jìn)制占用網(wǎng)格地圖的方法來實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)還可以通過擴(kuò)展卡爾曼濾波器來實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人周圍移動(dòng)物體的追蹤。其次，圖形用戶接口融合。關(guān)于這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)可以利用BMI/BCI圖形用戶接口模塊中的視覺刺激、運(yùn)動(dòng)想象、高級認(rèn)知提示、聽覺刺激、實(shí)時(shí)虛擬環(huán)境模型的目標(biāo)區(qū)域等。

3 結(jié)論

綜上所述，通過以上對BCRI關(guān)鍵技術(shù)分析可知，直接腦控機(jī)器人接口技術(shù)各方面應(yīng)用還不成熟，過程中還存在著一些未解的難題，如腦控機(jī)器人接口系統(tǒng)性能不高，穩(wěn)定性也有待改善，基于此，在今后的研究過程中，應(yīng)當(dāng)不斷的加大對其中關(guān)鍵技術(shù)的重視和研究力度，構(gòu)建BMI/BCI與機(jī)器人控制應(yīng)用研究的平臺，創(chuàng)建多學(xué)科交叉協(xié)作的局面，為我國直接腦控機(jī)器人接口技術(shù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的動(dòng)力。

參考文獻(xiàn)

[1]吳正平.基于便攜式電信號采集器的腦-機(jī)器人交互系統(tǒng)[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2016（05）.

[2]劉景泰.面向智能家居/智慧生活的服務(wù)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)[J].集成技術(shù)，2016（03）.

作者單位

香港理工大學(xué) 中國香港特別行政區(qū) 999077