腦機(jī)接口技術(shù)控制排爆機(jī)器人可行性分析

周富佳

摘要：針對(duì)當(dāng)前排爆機(jī)器人無(wú)法拆解復(fù)雜爆炸裝置的缺點(diǎn)，提出腦機(jī)接口技術(shù)遠(yuǎn)程控制排爆機(jī)器人的方案。腦機(jī)接口系統(tǒng)采用MindWave mobile提取排爆人員基于運(yùn)動(dòng)想象模式大腦皮層的腦電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)BCI2000平臺(tái)深度處理后將控制信息發(fā)送到下位機(jī)控制系統(tǒng)。同時(shí)，下位機(jī)控制系統(tǒng)把采集的數(shù)據(jù)反饋到遙控箱。分析表明：在提高腦電信號(hào)識(shí)別、轉(zhuǎn)換率之后，此方案可有效降低拆彈風(fēng)險(xiǎn)。

Abstract： In response to the shortcomings of current EOD robots that cannot dismantle complex explosive devices， this paper proposes a brain-computer interface technology to remotely control the EOD robots. The brain-computer interface system uses MindWave mobile to extract EEG signals of the brain cortex based on the motor imagery pattern of EOD personnel， and then sends control information to the lower machine control system through the BCI2000 platform after depth treatment. At the same time， the control system of the lower computer feedback the collected data to the remote control box. The analysis shows that， after improving the recognition and conversion rate of EEG signal， this scheme can effectively reduce the risk of missile.

關(guān)鍵詞：腦機(jī)接口；排爆機(jī)器人；移動(dòng)載體；排爆機(jī)械臂；無(wú)線通訊

Key words： brain-computer interface；EOD robot；mobile carrier；EOD manipulator；telecommunications

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）16-0137-02

0 引言

當(dāng)前遠(yuǎn)程遙控排爆機(jī)器人主要用于檢查、轉(zhuǎn)移和銷毀爆炸物。當(dāng)爆炸裝置復(fù)雜、不具備現(xiàn)場(chǎng)銷毀條件時(shí)就需拆彈專家近距離、手動(dòng)完成拆彈任務(wù)，這會(huì)極大增加拆彈風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)以上問題，提出腦機(jī)接口技術(shù)遠(yuǎn)程控制排爆機(jī)器人的方案，并對(duì)其可行性進(jìn)行分析。整個(gè)排爆系統(tǒng)由腦機(jī)接口設(shè)備、遙控箱、移動(dòng)載體和排爆機(jī)械臂組成。排爆人員通過(guò)運(yùn)動(dòng)想象腦電模式，像控制自身肢體一樣來(lái)控制排爆機(jī)器人，可即時(shí)、安全、精準(zhǔn)地完成對(duì)爆炸裝置引信的切斷和整體拆解。

1 腦機(jī)接口系統(tǒng)

腦機(jī)接口（Brain-computer interface，BCI）是基于大腦思維和意念的一種控制技術(shù)，不依靠外部神經(jīng)系統(tǒng)和肌體組織，直接通過(guò)腦電信號(hào)與計(jì)算機(jī)或其它電子設(shè)備建立控制通道。上世紀(jì)70年代，加州大學(xué)洛杉磯分校維達(dá)爾教授首次通過(guò)視覺誘發(fā)電位來(lái)控制光標(biāo)在電腦屏幕上的位置，據(jù)此提出腦機(jī)接口技術(shù)的初步概念[1]。腦機(jī)接口技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，逐漸運(yùn)用于智能家居、游戲體驗(yàn)、醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練和軍事裝備等領(lǐng)域。

1.1 腦電信號(hào)

大腦在進(jìn)行思維活動(dòng)、產(chǎn)生動(dòng)作意識(shí)或受到外界刺激時(shí)，大腦皮層會(huì)產(chǎn)生腦電信號(hào)[2]。腦電信號(hào)具有節(jié)律特征，其可分為四個(gè)頻段，即δ波、θ波、α波、β波，不同頻段反映大腦不同的思維狀態(tài)、意識(shí)。通過(guò)對(duì)腦電信號(hào)的辨識(shí)、提取，就可對(duì)外傳輸大腦的控制指令。腦電信號(hào)的識(shí)別模式分別為：運(yùn)動(dòng)想象、穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SSVEP）、P300事件相關(guān)電位和皮層慢電位。本文根據(jù)實(shí)際工作情況，選擇基于運(yùn)動(dòng)想象模式遠(yuǎn)程控制排爆機(jī)器人。

運(yùn)動(dòng)想象是指操縱者通過(guò)想象肢體的運(yùn)動(dòng)來(lái)刺激大腦皮層，促使μ節(jié)律與β節(jié)律發(fā)生變化，并且產(chǎn)生腦電信號(hào)。運(yùn)動(dòng)想象時(shí)，大腦皮層存在明顯的ERD/ERS現(xiàn)象，有助于腦電信號(hào)的采集和分析，所以被廣泛用于對(duì)實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、精度要求高的腦機(jī)接口系統(tǒng)。

1.2 腦機(jī)接口原理

腦機(jī)接口系統(tǒng)由信號(hào)采集、信號(hào)處理、控制系統(tǒng)和反饋組成[3]。腦機(jī)接口系統(tǒng)的信號(hào)采集設(shè)備對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，然后轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的信號(hào)，再通過(guò)無(wú)線設(shè)備傳輸?shù)接?jì)算機(jī)平臺(tái)進(jìn)行特征提取、特征分類、模式識(shí)別，最后轉(zhuǎn)換成具體的控制指令。排爆人員也可根據(jù)反饋信息對(duì)指令做出調(diào)整，修正機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，最終精確無(wú)誤的完成排爆任務(wù)。腦機(jī)接口控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

1.3 腦電信號(hào)采集

市面上已有多款商用非侵入式腦電信號(hào)采集設(shè)備，本方案選用 MindWave mobile腦電耳機(jī)，測(cè)量精度高，信號(hào)穩(wěn)定，調(diào)試時(shí)間短，質(zhì)量輕，佩戴舒適[4]。MindWave Mobile通過(guò)藍(lán)牙與遙控箱相連，將預(yù)處理信號(hào)發(fā)送到遙控箱。MindWave mobile采用干電池供電，工作時(shí)長(zhǎng)可達(dá)10小時(shí)。排爆人員使用MindWave mobile時(shí)，需使信號(hào)采集部位與頭皮緊密接觸，然后將耳夾夾在耳垂上，降低身體其他部位所產(chǎn)生電信號(hào)的干擾。

1.4 腦電信號(hào)深度處理

遙控箱可選惠普PC機(jī)作為核心控制設(shè)備，其將MindWave mobile傳送的預(yù)處理信號(hào)導(dǎo)入BCI2000進(jìn)行信號(hào)深度處理。BCI2000是美國(guó)科學(xué)家針對(duì)BCI研究所開發(fā)的識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)接收的腦電預(yù)處理信號(hào)進(jìn)行小波變化，去除噪聲，然后進(jìn)行特征提取，識(shí)別排爆人員的主觀意圖，最后轉(zhuǎn)換成對(duì)外部設(shè)備的控制指令，再通過(guò)無(wú)線設(shè)備發(fā)送到下位機(jī)控制系統(tǒng)。

當(dāng)信號(hào)傳輸中斷或信號(hào)質(zhì)量較差時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即停止指令傳送，并提示故障原因，待故障排除，信號(hào)再次相連和穩(wěn)定，排爆機(jī)器人才會(huì)重新工作，以確保排爆人員的安全，減少設(shè)備的損壞。

2 排爆機(jī)器人

2.1 遙控箱

遙控箱是整個(gè)排爆系統(tǒng)的控制核心，是腦機(jī)接口系統(tǒng)和下位機(jī)控制系統(tǒng)的連接樞紐。遙控箱需把腦電信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制指令發(fā)送到下位機(jī)控制系統(tǒng)，同時(shí)將下位機(jī)回傳的視頻信息和當(dāng)前各個(gè)模塊的狀態(tài)參數(shù)顯示在屏幕上。排爆人員可實(shí)時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和根據(jù)實(shí)際工況做出狀態(tài)、指令的調(diào)整，從而提高控制精度，完成對(duì)可疑爆炸物的拆除。

2.2 移動(dòng)載體

排爆機(jī)器人屬于移動(dòng)機(jī)器人，因此運(yùn)動(dòng)需通過(guò)移動(dòng)載體實(shí)現(xiàn)。排爆機(jī)器人可采用履帶式行走系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是能穿越障礙和壕溝，不易打滑，具有良好的姿態(tài)穩(wěn)定性，利于排爆機(jī)械臂的定點(diǎn)作業(yè)[5]。

移動(dòng)載體主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)組成，采用蓄電池供電。移動(dòng)載體的控制系統(tǒng)可選擇華北BIS-6660F型工控機(jī)，具有較高的抗沖擊、防塵和連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作的能力，適合惡劣的排爆環(huán)境。工控機(jī)借助無(wú)線傳輸設(shè)備和遙控箱進(jìn)行信息交互，并且通過(guò)CAN總線把移動(dòng)載體各個(gè)子模塊連接在一起，在接收到上位機(jī)的控制指令以后，對(duì)其進(jìn)行指令解調(diào)和轉(zhuǎn)換，然后發(fā)送到CAN總線上，子模塊根據(jù)事先制定的協(xié)議，通過(guò)識(shí)別標(biāo)識(shí)符來(lái)接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)子模塊的精確控制。同時(shí)，工控機(jī)還可通過(guò)CAN總線接收特定模塊的狀態(tài)參數(shù)和所采集到的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換之后發(fā)送到上位機(jī)控制系統(tǒng)。

2.3 排爆機(jī)械臂

排爆機(jī)器人采用雙臂作業(yè)。機(jī)械臂具有多個(gè)自由度，其底座可以自由旋轉(zhuǎn)，每個(gè)關(guān)節(jié)具備獨(dú)立運(yùn)動(dòng)和自鎖功能[6]。排爆機(jī)械臂選用固高運(yùn)動(dòng)控制器作為控制核心，控制器通過(guò)輸出脈沖或模擬量指令來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)和伺服系統(tǒng)，并且通過(guò)DSP和FPGA進(jìn)行空間運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃，支持多軸同步、空間螺旋插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)模式，滿足排爆機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的工作需求。

機(jī)械臂執(zhí)行末端可安裝微型攝像頭和迷你檢測(cè)儀，通過(guò)調(diào)整機(jī)械臂的姿態(tài)，可多角度觀察目標(biāo)；檢測(cè)儀可對(duì)爆炸物成分和危險(xiǎn)程度做出初步的判斷，幫助排爆人員做出正確的排爆決策。機(jī)械臂在整個(gè)拆彈過(guò)程中，采用的是末端控制模式，排爆人員只需要想象執(zhí)行末端的運(yùn)動(dòng)即可，系統(tǒng)通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，自動(dòng)調(diào)節(jié)各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和手臂的運(yùn)動(dòng)速度。

炸彈在轉(zhuǎn)移過(guò)程中，需通過(guò)手爪夾持，但夾持力度過(guò)大會(huì)使爆炸物因強(qiáng)力擠壓而爆炸，因此采用氣動(dòng)柔性手爪，吸附力強(qiáng)，能夠抓緊爆炸物，并且具備自鎖功能，能夠防止爆炸物滑落，同時(shí)系統(tǒng)采用安全合抱機(jī)構(gòu)，可以保證爆炸物平穩(wěn)轉(zhuǎn)移。排爆機(jī)器人面臨的環(huán)境是未知和復(fù)雜的，為提升排爆機(jī)器人的排爆性能，機(jī)械手爪可采取模塊化設(shè)計(jì)，能夠自主拆卸和更換，同時(shí)在移動(dòng)載體上安裝手爪庫(kù)。排爆機(jī)器人還可預(yù)留輔助設(shè)備安裝空間，如散彈槍，擊斃隱藏在角落的恐怖分子，以減少民警的傷亡。

2.4 通訊系統(tǒng)

排爆機(jī)器人的無(wú)線通訊系統(tǒng)不僅要完成上位機(jī)和下位機(jī)交互指令的有效傳輸，還要向上位機(jī)發(fā)送視頻信息，因此數(shù)據(jù)傳輸量大。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、完整性，選用AirNET 900無(wú)線網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)，傳輸速率高，超過(guò)20Mbps；覆蓋范圍廣，利用多徑傳輸，在市區(qū)非視距情況下傳輸距離可達(dá)1000米；穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。

排爆機(jī)器人的通訊機(jī)制是基于TCP/IP模型，包含四個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層、傳輸層、互聯(lián)網(wǎng)層和網(wǎng)絡(luò)訪問層，與OSI模型的七個(gè)層級(jí)相比，前者的結(jié)構(gòu)更加精簡(jiǎn)，而且傳輸層具有數(shù)據(jù)確認(rèn)和重傳機(jī)制，可有效避免因數(shù)據(jù)包的不完整而導(dǎo)致排爆機(jī)器人出現(xiàn)操作失誤[7]。

AirNET 900在遙控箱、移動(dòng)載體和排爆機(jī)械臂之間建立一個(gè)廣義上的局域網(wǎng)，通過(guò)互訪IP地址來(lái)建立通信連接，實(shí)現(xiàn)指令的傳達(dá)和數(shù)據(jù)的傳輸。該通訊系統(tǒng)采用的是客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）結(jié)構(gòu)，所以既可選擇單對(duì)單控制模式，也可選擇單對(duì)多控制模式。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，前者存在嚴(yán)重延時(shí)現(xiàn)象，所以系統(tǒng)選擇單對(duì)多控制模式。

3 總結(jié)

目前腦電信號(hào)的識(shí)別率雖已超過(guò)90%，但轉(zhuǎn)換速度慢，且不穩(wěn)定，易受環(huán)境干擾，隨著控制指令的增多，識(shí)別率還會(huì)逐漸降低。未來(lái)隨著神經(jīng)生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、微電子學(xué)和傳感技術(shù)的發(fā)展，腦電系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的識(shí)別能力、轉(zhuǎn)換能力會(huì)顯著提高。排爆機(jī)器人的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)也會(huì)使其制造成本降低，使用范圍更廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]張小棟，李睿，李耀楠.腦控技術(shù)的研究與展望[J].振動(dòng)測(cè)試與診斷，2014（02）：205-211，392.

[2]孫中磊，劉英富，涂悅，等.腦-機(jī)接口技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及腦控動(dòng)物應(yīng)用前景[J].軍事醫(yī)學(xué)，2016（10）：843-846.

[3]段凱文，楊幫華，張?zhí)?，?基于ARM的腦機(jī)交互信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2016（07）：112-115.

[4]李居康.腦—機(jī)接口技術(shù)在機(jī)器人控制上的應(yīng)用[D].東南大學(xué)，2016.

[5]王樂臨.爆炸物處理機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010.

[6]張?jiān)品?，馬振書，孫華剛，等.一種基于混合策略的排爆機(jī)器人目標(biāo)抓取軌跡規(guī)劃[J].機(jī)床與液壓，2015，43（21）：86-90.

[7]鄭愛宇.基于嵌入式接口的可擴(kuò)展TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016（06）：614-619.