基于腦電控制的智能機械臂控制系統(tǒng)研究

劉維健

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510800）

1 智能機械臂控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在進行實際項目研究過程中，需要使用腦機接口技術(shù)，利用該技術(shù)采集所需的腦電波信號，完成信號采集后，在系統(tǒng)內(nèi)部進行相關(guān)數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理完成后再進行相應(yīng)的指令傳輸，通過指令控制機械臂的操作。單獨的腦波傳感器無法滿足所有控制需要，需要通過添加空間位置傳感器的方式來實現(xiàn)，兩種傳感器在實際工作中相結(jié)合，實現(xiàn)對于智能機械臂的全面控制。圖1是智能機械臂控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，通過腦部信號采集、上臂六軸傳感器和前臂六軸傳感器的信號傳遞，將信號傳遞至數(shù)據(jù)采集端主控制器，數(shù)據(jù)采集端主控制器將采集到的信號通過藍牙的傳遞，將信號傳輸至接收端主控制器，信號傳輸完畢之后，接收端主控制器將數(shù)據(jù)進行處理和分析，最終生成相關(guān)指令以驅(qū)動整個機械臂運動。

2 智能機械臂控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

在智能機械臂控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，有幾個需要注意的設(shè)計難點，包括腦波數(shù)據(jù)采集模塊、空間方位傳感器、主控制器以及六自由度的機械臂，這四個方面都是整體設(shè)計的重點部分，影響整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)效果。腦波數(shù)據(jù)的采集需要注意其中的眨眼強度和專注度的具體數(shù)據(jù)，兩者會直接影響機械臂的運行狀態(tài)，空間方位傳感器主要是對空間融合結(jié)果整合以補充腦波信號的部分缺陷，同時主控制器和六自由度機械臂的設(shè)計都會直接影響最終機械臂的操作。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1 腦波數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計

在腦波數(shù)據(jù)采集模塊，需要使用相關(guān)的腦電采集設(shè)備進行腦波檢測，通常情況下，會選擇單通道的腦電采集設(shè)備。同時，對于腦電采集設(shè)備所適用的相關(guān)采集頻段、采樣頻率以及其他有關(guān)數(shù)據(jù)進行分析了解，根據(jù)需求選擇合適的腦電采集設(shè)備。腦電采集設(shè)備除了具備基本的腦波檢測、腦波信號采集的功能外，同時可以對采集到的信號進行數(shù)據(jù)分析和處理，除此之外，部分還具備其他功能。通過對數(shù)據(jù)的檢測、采集、分析和處理，可以實現(xiàn)對于數(shù)據(jù)濾波的輸出以及放大轉(zhuǎn)換的輸出。在數(shù)據(jù)處理中，需要注意使用相關(guān)算法進行數(shù)據(jù)的分析和處理，數(shù)據(jù)的分析和處理有助于對于佩戴者的心理狀態(tài)進行實施監(jiān)控和分析。不同的腦電采集設(shè)備具體工作的程序有所不同，以MindWave為例，MindWave的傳輸模式主要為串口傳輸，在具體的傳輸手段上可以通過藍牙進行腦電數(shù)據(jù)的輸出，可以進行輸出的主要原始的腦波數(shù)據(jù)有8類，其中包括眨眼強度、專注度、放松度、delta、theta、gamma波EEG參數(shù)、alpha這8個數(shù)據(jù)類別，眨眼強度和專注度是其中較為重要的兩項，可以直接決定和控制機械臂的操作以及機械臂的啟動等動作。

2.2 空間方位傳感器的設(shè)計

空間方位傳感器主要是利用其中的相關(guān)部件對空間融合結(jié)果進行計算整合，并實現(xiàn)向控制器的輸出，在輸出過程主要需要使用相關(guān)的I2C接口以及DMP運動庫，I2C接口主要作用是與外界的電子羅盤相連接，而DMP運動庫作為主要的運動處理器系，兩者相結(jié)合才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完美輸出。I2C接口在實現(xiàn)與電子羅盤對接的同時，還可以與內(nèi)部傳感器融合，如加速度與角速度傳感器，同時本身自帶相應(yīng)的數(shù)字引擎加速硬件，也可以提升數(shù)據(jù)收集、處理以及傳輸?shù)乃俣?。DMP運動庫作為主要的運動處理器系，在進行數(shù)據(jù)處理的過程中，可以使用產(chǎn)品本身生產(chǎn)公司所提供的關(guān)于運動處理的資料庫，進一步提高數(shù)據(jù)處理及解算過程的速度及便捷度。在提升速度的同時，這樣可以減少數(shù)據(jù)處理過程中對于單片機所造成的負擔(dān)，降低了開發(fā)過程中的技術(shù)難度。在智能機械臂控制中，對于空間方位傳感器位置的布置也需要注意，空間方位傳感器的種類多為六軸空間傳感器，安裝的位置為上臂和前臂，主要作用是為了全面實時捕捉整個手臂的運動姿態(tài)，以更好地實現(xiàn)對機械臂運動的控制。

2.3 主控制器的設(shè)計

在整個設(shè)計過程中，完成對于腦波數(shù)據(jù)采集模塊以及空間方位傳感器的設(shè)計后，需要對主控制器的設(shè)計進行把控。主控制器根據(jù)端口的不同分為兩種，一種為數(shù)據(jù)采集端的主控制器，另一種為接收端主控制器。首先需要對主控制器的構(gòu)造及工作原理進行了解，以Arduino Mega 2560為例，該主控制器的主要部件有7個部分，包括14路脈沖寬度調(diào)節(jié)PWM、6路外部中斷、4路串口信號以及256KB Flash Memory、8KB SRAM、4KB EEPROM和54個IO接口，每一個部分需要和其他模塊和傳感器進行通信，最終把信號發(fā)至主控制器。首先，串口信號與腦波數(shù)據(jù)采集模塊進行通信，IO接口與空間方位傳感器進行通信，在進行信號傳遞的過程中，需要使用串口信號與藍牙進行通信以實現(xiàn)信號的傳遞。一般接收端主控制器的類型與數(shù)據(jù)采集端主控制器的類型相同，通過接受藍牙傳輸?shù)南嚓P(guān)信號，以實現(xiàn)對整個機械臂系統(tǒng)中所有大功率舵機的控制，進一步控制機械臂的動作。

2.4 六自由度機械臂的設(shè)計

機械臂的整體結(jié)構(gòu)由兩大部分構(gòu)成，第一大部分為2個伸臂，第二大部分為6個RB-150MG的大扭力舵機，整個機械臂的構(gòu)成方式主要為關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，同時也會采用六自由度的串聯(lián)式結(jié)構(gòu)進行。在機械臂的構(gòu)成部分中，6個大扭力舵機主要對機械臂的動作進行控制，前五個舵機的主要作用是實現(xiàn)對機械臂的旋轉(zhuǎn)和伸屈的全面控制，不同的是，末端的舵機主要控制機械臂的抓取動作。

3 軟件設(shè)計

在智能機械臂的整體設(shè)計中，完成基本的硬件設(shè)計外，還需要進行軟件設(shè)計。在軟件設(shè)計工作中，有4個比較重要的軟件設(shè)計部分需要注意，包括數(shù)據(jù)采集端的設(shè)計、腦波信號提取流程的設(shè)計、MPU6050信號提取流程的設(shè)計以及機械臂控制器主程序流程圖的設(shè)計。對于軟件設(shè)計的每一個步驟和環(huán)節(jié)，人們都要進行嚴(yán)格把控，這樣才可以更好地實現(xiàn)腦電控制的可持續(xù)性。

3.1 數(shù)據(jù)采集端的設(shè)計

在進行智能機械臂控制系統(tǒng)硬件設(shè)計中，主控制器的設(shè)計分為兩種，一種是數(shù)據(jù)采集端的主控制器，另一種是接收端主控制器。在軟件設(shè)計中，需要對數(shù)據(jù)采集端的設(shè)計進行更細致的研究。首先需要對數(shù)據(jù)采集端的工作原理和流程進行了解，數(shù)據(jù)采集端的工作流程首先是通過串口來獲得腦波傳感器傳遞的相關(guān)信號，之后再通過空間方位傳感器I2C接口來獲得上臂六軸傳感器的信號以及前臂六軸傳感器的信號，該信號主要代表前臂和上臂所呈現(xiàn)出的運動姿態(tài)，完成信號數(shù)據(jù)采集后，再通過藍牙將信號傳遞至機械臂的控制器，再進行后續(xù)的數(shù)據(jù)以及指令的傳輸。

3.2 腦波信號提取流程的設(shè)計

腦波模塊在進行信號數(shù)據(jù)傳遞和放松的過程中，在傳遞上一般會選擇異步串行的方式，其中會涉及相關(guān)的數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)包，兩者都有其基本的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)方式。數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)大多呈現(xiàn)為【同步字符】【數(shù)據(jù)長度】【數(shù)據(jù)值…】【校驗碼】；而數(shù)據(jù)報呈現(xiàn)的基本結(jié)構(gòu)為（【擴展碼】…）【類型碼】【長度】【值…】。腦波信號的提取流程如圖2所示。

圖2 腦波信號提取流程

在腦波信號的具體提取流程中，首先要進行數(shù)據(jù)的接收，接收完畢后，進行有效數(shù)據(jù)的提取，之后再讀取相關(guān)的擴展碼以及類型碼，讀取完畢后，還需要進行長度的讀取，所有數(shù)據(jù)接收、提取和讀取完畢后需要進行判斷。首先需要進行注意力集中度的判斷，如果判斷結(jié)果呈現(xiàn)肯定值，則可以直接進行數(shù)據(jù)的讀取并保存值再進行返回。如果注意力集中度的判斷結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)否定的狀態(tài)，還需要眨眼強度進行判斷，一旦呈現(xiàn)肯定的狀態(tài)則可以進行數(shù)據(jù)的讀取以及保存值，之后再進行返回；一旦呈現(xiàn)否定的狀態(tài)，則不進行任何讀取和保存的操作，直接返回。

3.3 機械臂控制器主程序流程圖設(shè)計

對于機械臂控制器主程序流程圖的設(shè)計，首先需要了解機械臂控制器的基本工作原理，機械臂控制器接收信號的方式均為藍牙傳遞，其中信號分為腦波信號以及六軸傳感器的運動姿態(tài)信號，兩者均通過藍牙接收，再傳遞至控制器，在腦波信號中，注意力集中度和眨眼強度是影響最終信息傳遞的兩個重要因素，其中眨眼強度的合理范圍為80～120（不包括80和120），該強度范圍內(nèi)可以進行機械臂的啟動。如果出現(xiàn)眨眼強度數(shù)值大于120的現(xiàn)象，則需要及時關(guān)閉機械臂，注意力集中度可以直接控制機械臂的相關(guān)動作，注意力集中度可以產(chǎn)生相應(yīng)的PWM，PWM可以實現(xiàn)對于末端舵機抓取動作的控制，同時根據(jù)上臂六軸傳感器和前臂六軸傳感器的傳輸信號，實現(xiàn)對于上臂和前臂運動姿態(tài)的把控，包括偏航角Yaw、滾轉(zhuǎn)角Roll以及俯仰角Pitch等，其間會產(chǎn)生5路不同的PWM波，以此來控制整個機械臂中其余5個舵機，更進一步控制整個機械臂的操作，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、伸屈等動作。首先進行系統(tǒng)的初始化，初始化完成后通過藍牙讀取相關(guān)的傳感器信號，包括腦波信號、六軸傳感器的運動姿態(tài)信號等，之后對讀取到的信號進行判斷，判斷因素為眨眼強度。如果眨眼強度呈現(xiàn)的數(shù)值在80～120的范圍內(nèi)，可以正常啟動機械臂；如果出現(xiàn)眨眼強度大于120的現(xiàn)象，需要及時停止機械臂的操作，檢測當(dāng)前的啟動狀態(tài)。未啟動的需要重新返回進行信號的讀取，成功完成機械臂啟動的可以繼續(xù)進行專注度的讀取，讀取完畢后需要控制末端舵機以此來讀取上肢的運動狀態(tài)，狀態(tài)讀取完畢后再進行其余5個舵機的控制，控制完畢后繼續(xù)進行下一輪流程操作。

4 結(jié)語

腦電控制下的機械臂控制系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的按鍵式機械臂控制系統(tǒng)，更為人工智能化，數(shù)據(jù)讀取和信號傳遞更為簡單、便捷、準(zhǔn)確，可以實現(xiàn)實時監(jiān)督和傳輸。但是，在腦電控制中，單純的腦波信號控制無法真正實現(xiàn)設(shè)計所需的多種控制量輸出，對于信號的提取也較為困難。為了進一步實現(xiàn)腦電控制，需要與相應(yīng)的肢體空間運動姿態(tài)相結(jié)合，兩者的結(jié)合可以給整個控制系統(tǒng)提供更為準(zhǔn)確和充分的控制參數(shù)，可以更好地實現(xiàn)對機械臂的全面控制。傳統(tǒng)按鍵式的控制方法有很多操作上的局限性，難以實現(xiàn)真正的人機交流和互動，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，實際應(yīng)用也不夠便捷。但是，腦電控制的應(yīng)用真正實現(xiàn)了人機互動，基本結(jié)構(gòu)較為簡單，實際操作應(yīng)用也更為簡單便捷，對于日常娛樂或輔助殘疾人士進行運動等都有很重要的意義。