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基于脑-机接口的空间机器人控制技术发展综述

时间: 2017-06-26阅读:

来源: 国防科技要闻

概要:随着各国探索太空脚步的加快,空间已经成为世界航天强国的必争之地。


随着各国探索太空脚步的加快,空间已经成为世界航天强国的必争之地。面对在轨操作、碎片清除、态势感知、载人航天等任务的多样性和复杂性挑战,空间脑控技术逐渐成为近些年的热点研究领域,以美国为首的军事强国开始投入巨资展开相关研究,借助军民融合的SpaceX等先进企业大力发展空间脑控机器人等设备,值得关注和研判。


一、空间机器人发展概况

1、空间机器人概述

空间机器人主要由空间机器人基体及搭载在基体上的机械臂组成,可以在太空中完成各种任务作业。例如: 卫星的释放和回收、空间站的维修以及飞行器燃料的加注等。而这些任务很难由航天员独立完成,通常需要借助空间机器人协助执行。

空间机器人与地面机器人的显著区别是空间机器人的基体(卫星)不是固定的,而是在太空中处于自由飞行或浮游状态,这样相对于地面机器人系统增加了六个自由度。空间飞行器基体姿态和位置的调整通常利用动量轮或反作用喷气推力器作为执行机构,这无疑浪费了宝贵的有限燃料,缩短了空间飞行器的寿命。按照空间飞行器的基体姿态和位置是否可控,可以分为三种情况:第一种为基体位置及姿态均可控,这等同于地面机器人;第二种为基体位置不可控,姿态可控,这主要针对某些具有一定姿态要求的通信卫星进行相应调整;第三种为基体位置及姿态均不可控,即自由漂浮空间机器人,这种机器人最大范围内节省了燃料,延长了寿命。


2、国外空间机器人发展概况

(1)美国空间机器人

美国从20世纪80年代初就陆续开展了空间机器人的研究项目,其主要研究项目有FTS,Skyworker,Robonaut,Ranger和轨道快车等。

FTS是美国最早的空间机器人研究项目,主要在空间站上执行各种装配、维修及协助视觉监测等繁杂任务。FTS由两个机械臂及一个定位腿组成,属于类人机器人,机械臂可以在高灵巧系统中于工作空间内无奇点地提供89牛的力和27牛·米的力矩。机械臂运动结构是对称的,力/力矩传感器安装在机械臂末端,工作于遥操作模式下,如图(1)所示。

Skyworker由卡耐基-梅隆大学研制,属于附着移动机器人,如图 (2)所示。该机器人借助于所在支撑平台的反作用力,移动并操纵各种载荷进行工作。当承载载荷较大时,采用连续的步态保持负载匀速运动,避免每一步均进行加减速。这种工作方式可以在反作用力最小的情况下使得能量利用率更高,是一种能够对大空间结构自主装配、监测和维修的低成本机器人。

▲图(1)FTS系统      ▲图(2)Skyworker系统


Ranger TFX是一种灵巧空间机器人系统,具体如图(3)所示,项目开始于1992年,是一种具有自由飞行能力的空间机器人。当时主要是为了满足哈勃望远镜机器人服务的要求,而后在此基础上又开发了针对航天飞机进行演示任务的RTSX项目,如图(4)所示。

▲图(3)Ranger TFX系统           ▲图(4)RTSX系统


Robonaut是NASA开发的空间类人机器人,如图(5)所示。它是一个多自由度灵巧机器人,主要是作为助手与航天员一起工作,并执行日常维修任务。“轨道快车”计划是在1999年公布的,如图(6)所示。主要用于开发研究未来空间在轨补给和修复、重构等技术,试验修复卫星,进行各类仪器的太空试验,并利用在轨飞行演示与验证。

▲图(5)Robonaut系统    ▲图(6)“轨道快车”概念


(2)加拿大空间机器人

世界上第一个成功应用于飞行器的空间机器人系统为加拿大MD Robotic公司于1981年研制的SRMS系统,如图(7)所示。该机械臂总长15.2米,由一个肩关节、肘关节和腕关节组成,其主要功能为投放卫星进入恰当的轨道和维修失效卫星等,该机械臂还修理过哈勃太空望远镜。在此基础上,加拿大MD Robotic公司继而开发了应用于空间站的遥控机械臂系统MSS,如图(8)所示。该系统主要由活动基体系统、空间站遥控机械臂系统(SSRMS)及专用灵巧机械臂(SPDM)等三部分组成。其中SSRMS是一个七自由度机器人,由两个臂杆组成,主要用于大型物体搬运和组装;SPDM是SSRMS臂的灵巧手,长约3.5米,质量约1660千克;灵巧机械臂的本体装配在遥控机械臂系统的末端来执行一些更加细致的操作任务。

▲图(7)SRMS系统      ▲图(8)MSS系统


(3)德国空间机器人

德国是欧洲国家中对空间机器人研究比较重视的国家,空间机器人研究主要有ROTEX项目、ESS项目、ROKVISS项目和TECSAS项目等。

ROTEX项目于1986年启动,是一个小型六轴机器人系统,1993年在哥伦比亚号航天飞机上进行了飞行演示,执行了抓取物体、机械装配及拔插电插头等多个试验任务,是世界上首例具有地面遥操作功能的空间机器人,具体组成如图(9)所示。ESS项目如图(10)所示,是为GEO轨道通信卫星进行服务的,其主要任务是将ROTEX中已经验证的遥操作思想用于自由空间环境中执行卫星服务。ROKVISS由一个两关节机器人及相关辅助设备共同组成,主要用于验证机械臂的功能,如图(11)所示。该项目于2004年跟随俄罗斯“进步”号货运飞船发射升空,然后在ISS上进行飞行试验,并进行了相关试验验证。TECSAS项目是2003年德国宇航中心资助研究的,如图(12)所示。该项目计划采用目标卫星和跟踪卫星进行试验,其中机械臂和手抓取系统安装在跟踪卫星上,能够对空间设备维修及服务系统中比较关键的技术进行试验验证。

▲图(9)ROTEX项目   ▲图(10)ESS项目


▲图(11)ROKVISS项目  ▲图(12)TECSAS项目

(4)日本空间机器人

日本在空间机器人领域取得了很大成功,其中主要的有MFD项目和ETS-VII项目,如图所示。这些项目均取得了极大的成功,未来日本将在国际空间站的日本舱段装配JEMRMS系统。


MFD系统是日本的第一个空间机械臂试验项目,在1997年于“发现号”航天飞机上成功进行了演示试验,如图(13)所示。其主要作用为:1)对空间机械臂性能进行评估;2)对空间机械臂控制系统人机接口的性能进行评估;3)采用机械臂对ORU的安装与卸载、门的开及关等能力进行演示试验;4)对地面遥操作进行演示试验等。

ETS-VII是世界上第一个真正的自由飞行空间机器人系统,如图(14)所示,于1997年发射升空。其主要目的是科学试验:一是两颗卫星的交会对接试验;二是对空间机器人做各种操作试验。ETS-VII空间机器人具有六自由度;长2.4米,重约150千克。第一关节与最后关节处分别安装有一个相机。


▲(13)MFD系统                   ▲(14)ETS-VII系统

JEMRMS是用于空间操作的机器人系统,NASDA负责研制。该机器人由主臂和小臂SFA串联组成,主臂长约10米,主要由6个关节和2个臂杆组成;小臂长约2米,主要由6个关节、2根臂杆以及一个末端效应器组成。航天员执行任务时可以借助于这两个臂杆进行更多的操作,下图为JEMRMS搬运有效载荷的过程。

▲日本的JEMRMS系统

3、技术与科学挑战

美国于2011年启动的先进制造伙伴计划中指出:“新一代机器人将与人类操作者紧密合作,为产业工人、健康服务者、士兵、手术医生、以及航天员等完成复杂任务提供新的能力”。然而,现有的机器人系统要达到在人类正常的生产、生活环境,尤其是太空环境中成为人类助手的目标,还面临诸多技术挑战。目前,机器人仍未脱离自动化机器的范畴;人与机器人仍然被定义为使用和被使用、替代和被替代的关系,而不是人与机器人的合作伙伴关系。机器人在设计过程中很少考虑与人在同一空间内紧密协调合作,使得如本质安全、人机协同认知和行为互助等基本问题都没有得到很好解决。要从根本上解决目前机器人与新需求之间的矛盾,需要重新审视其核心技术的发展理念。在人与机器人的关系上,人的优势是智、灵、变,包括思维与逻辑推理、学习与技能递进、经验与实时决策等;而机器人的优势是精、稳、准,包括速度、精度、负重、重复一致性、耐疲劳、连续作业等。


在技术上,亟待突破的挑战可以凝练为三个方面:1)安全挑战:机器人与人之间的物理界限消失,人和机器人将频繁接触,要求机器人在行为过程中确保人-机-物的安全;2)行为挑战:要求机器人在非结构、不可预知动态环境中完成使命,任务目标及指标更加多样、操作灵活性及柔性要求更高、人机合作程度加深、任务过程复杂多变;3)交互挑战:要求具备多信息源综合的交互手段,具有人类意图理解能力,机器人与人状态信息能实时双向传递。上述三方面挑战是机器人与人融合中亟待突破的瓶颈问题,也是目前国际机器人学领域研究的重点和难点问题。

如前所述,空间机器人设计与控制、智能交互与感知等研究取得若干突破性进展,为共融机器人研究提供了坚实的理论与技术基础,同时也面临着一系列亟待解决的难点与科学挑战。


1)结构与驱动方面,有待深入探究机器人性能对任务及环境的适应性规律,为共融机器人结构创新提供理论依据;

2)交互与感知方面,需深入研究机器人、人与环境之间的自然交互机理与安全机制,为机器人与人的智能融合提供技术保障;

3)智能与控制方面,有待系统研究自主行为控制与群体智能机理,为共融机器人资源与行为管理提供技术保障。


二、脑机融合控制系统

人的意念或思维活动是虚拟的,属于精神层面,难以直接操控系统。为了实现脑控,人们试图在人脑与计算机或其他电子设备之间建立起直接交流和控制的通道。这种通道的建立必须具备两个条件:科学依据和技术支撑。


从控制科学的角度看,大脑是人体所有运动、语言机能的控制中心,以外部神经为媒介向身体发出指令。神经科学的研究发现即使外部神经和肢体因损伤而失去作用,但大脑的功能还是正常的,大脑发出的指令信息可以通过脑电信号传递出来。研究还发现人们在进行某些思维活动时或者在外界某种刺激的诱发下,脑电信号会呈现出某种相对应的、有规律的变化模式。由此,抽象的、虚拟的大脑活动所表达的人的意愿就有可能通过实在的、物理的脑电信号而表征出来,脑电信号就成为人脑与外部联系的桥梁。神经科学的上述研究成果为脑控的研究提供了科学依据和工作原理。

另一方面,脑-机接口(BCI)技术的迅速发展为脑控的研究提供了技术支撑,使脑控系统得以实现。脑-机接口是通过计算机或其他电子设备在人脑与外界环境之间建立一条不依赖于外周神经和肌肉组织的对外信息交流和控制通路。它将携带着受试者“意愿”的特定脑电信号模式的特征,转换为控制命令传递到外部设备自人机间的不断交互、适应和协商。作为一种通信系统,脑-机接口主要由以下几部分组成:信号采集,即采集大脑信号;信号处理,即从采集到的信号中提取大脑信号特征并将其转化为设备的控制指令;应用接口,即将控制指令传输给外部设备,以实现对外部设备的操控;操作协议,即引导操作流程。


在基于脑电信号的脑-机接口系统中,受试者产生的ERP成分大致可以分为内源性和外源性两类。其中外源性的成分取决于外部物理刺激(声、光、电)的属性和参数,而内源性成分则与人的心理因素相关,在一些情况下,也会产生既与外部刺激相关又与心理因素相关的中源性成分。BCI可以按ERP成分的不同加以分类,也可根据信号采集的方式不同分为侵入式和非侵入式。侵入式需专业医生进行手术把电极内置于人或动物的大脑内,检测脑皮层电图(ECoG)等信号,有一定危险性,还存在心理和伦理问题;非侵入式是将电极帽戴在头上检测脑电图(EEG)等信号,检测方法简单,但电极距离神经元较远,测得的信号信噪比较低,对后处理的要求较高。此外,功能性磁共振成像( FMRI)、近红外光谱(NIRS)、脑磁图(MEG)等均被用于BCI,但考虑到安全性、价格、使用方便等因素,最普遍使用的还是基于头皮脑电EEG的非侵入式脑-机接口。


目前,脑控系统的研究主要包含三个方面:1)人脑思维或意念与脑电信号的关系:研究在自发或外界诱发的条件下,不同的思维或意念所对应的脑电信号模式;2)脑-机接口的设计与构建;3)应用系统研究和开发:根据不同的目的和任务,设计和构建相应的基于脑-机接口的控制系统和装置。脑控系统的结构示意图如下。


三、脑控空间机器人问题与挑战

从控制科学的角度看,脑控空间机器人给控制科学的研究带来了新的机遇、新的问题和新的挑战。目前,这类控制系统的研究仍然处于初级阶段,面临着许多问题和困难,其中既有科学上的难题,也有应用中的关键技术难点。以下结合发展现状,对这些问题作一些简要的论述和分析。


1、脑电信号模式研究

如上所述,人们已经发现和使用了多种脑电信号模式来构建脑-机接口,但是由于人脑思维和脑电信号的复杂性,至今所使用的这类脑电信号模式都存在一些不足之处,而且数量较少。因此,脑电信号新模式的研究就显得特别重要。目前,在该方向的研究中基本遵循三条思路:1)针对已有模式中的问题,进行优化和完善;2)取长补短,将二种或更多种已有的信号模式进行融合,形成融合型的脑电信号模式;3)基于认知神经科学等的研究成果,发现新的脑电信号模式。


在已有的EEG模式研究中,SCP是较早被使用的模式,但是基于SCP的系统,使用者必须经过数月的训练才能完全控制SCP的正负变化,所以在实际应用上并不是非常方便。基于运动想象模式的ERD/ERS和MRPs等信号是目前BCI研究中的热点,它有明确的神经生理现象作对应,其他多数的采样信号还缺乏具体意义,很难把脑电信号类型与心理意识活动直接联系起来。它在方向控制等方面具有优势,并且适用于中风等康复训练。但是运动想象电位存在信号不稳定、识别速度低、可识别模式少、训练时间长和适用人群窄等问题。


在诱发电位中,视觉诱发电位因为其具有丰富的编码命令、稳定的信号信息、较高的识别速率和准确率,是现在研究最多的诱发电位。研究人员对SSVEP进行了深入研究,提出了一系列识别SSVEP的方法。如典型相关分析(CCA)等,并实现了用SSVEP拨电话号码。并对稳态视觉诱发电位试验新范式等进行了研究,利用同一目标进行多频诱发来实现较少频率下多目标控制的目的。研究人员把时间与频率特性相结合利用较少的诱发频率实现多目标控制并且减少诱发频率间的干扰。但是这类信号品质受诱发目标形式、诱发刺激分布与序列模式、人的感知缺陷等因素影响。视觉诱发只能适用于视觉系统完好的人群,对于盲人却无法适用,并且需要人的视觉注意,可能阻断当前工作状态。听觉和触觉诱发虽然可以脱离视觉器官,有其特有的适用人群,但是听觉和触觉诱发的电位相对微弱,可分性低。


P300事件相关电位对不同人群适用性高,相比于其他电位较稳定,识别准确率较高,编码组成的控制信号较丰富,一般不需要进行训练,但是P300等电位也存在一些问题:有研究表明,诱发模式的优劣将直接影响ERP诱发电位的可识别性,从而影响脑-机接口系统的输出正确率和效率。目前诱发模式的研究主要集中于:诱发目标之间的呈现时间研究;诱发目标的呈现方式研究,其主要包括诱发矩阵、诱发目标分布、诱发目标属性研究和诱发序列研究等。

融合诱发与多模态脑电信号的融合研究可以提高脑-机接口的稳定性、灵活性和人群适用性。2011年研究人员利用人脸作为刺激来诱发事件相关电位,发现利用著名人脸可诱发N400,能有效提高分类准确率。在多模态融合的研究中,2010年研究人员提出把运动想象和稳态视觉诱发电位相融合的思想以提高脑-机接口的在线性能。2011年又将基于稳态视觉诱发电位的脑-机接口,基于运动想象的脑-机接口与融合状态下的脑-机接口进行相互比较,并作了详细的分析研究,之后成功将稳态视觉诱发与运动想象的融合方法用到机械臂控制中。2012年研究人员对该系统做了进一步优化,成功将该方法以同步控制方式应用到鼠标控制中。


2、应用系统研究

迄今,关于脑控系统的研究大多处于实验室研究价段,真正的实用系统很少。但与初期的研究相比,多个基于BCI的脑控系统均已实现了在线实时控制与反馈,一些应用系统也相继问世。从应用的角度分析,大体可以分为医疗领域和非医疗领域两类。在医疗领域,主要是为思维正常而肢体障碍的患者对外交流和对外部设备的控制提供帮助,例如为这些人群提供基于BCI的智能轮椅、神经假肢、虚拟打字和操控机器人等。在非医疗领域中,BCI已应用到操作员功能状态监测、游戏娱乐和智能家居等领域。其中游戏娱乐是一个被成功应用的例子,应用BCI技术,人们通过“意念或思维”控制鼠标、键盘或操作杆来完成电子游戏或进行机器人足球赛等。


从实用的角度看,目前的脑-机接口技术还存在着诸多问题,除了上述在脑电信号模式、控制信号转换算法方面的问题之外,还需要着重解决以下问题:

1)脑电信号采集设备的更新。脑-机接口研究中的首要问题是有效信号的稳定采集与处理,这是决定系统能否准确快速运行的关键所在。通过信号采集的硬件设备如传感器、放大器等的技术革新,使得在采集过程中非脑电信号能得到有效抑制,解决因头皮头骨的影响而减弱并干扰脑电信号的问题,从源头上提高脑电信号的质量。此外,设备的易用性、便携性上需不断改进。目前已有多家公司生产了便携式的脑电图采集设备。这些便携设备尽管还不完备,但它们的出现使BCI的实用化迈出了重要的一步。


2)脑控系统的安全性。脑控系统是一个高度人机融合的系统,人的安全性是第一要素。近年来,为了考虑安全性,提出了关于“脑开关”的研究:在实际的脑控系统中,为了避免在非任务状态下产生任务命令,脑-机接口系统开关,也称脑开关,是不可缺少的。在基于脑电信号的轮椅控制,假肢控制等实际控制系统的操作中,误发出的命令很可能会让使用者陷入危险和很多不必要的麻烦,而且这类系统的主要应用对象是不能进行正常运动的残疾病人,他们往往难以用肢体操作特定的按钮来开启控制系统。如何针对不同的目的和对象,找到一个安全可靠的脑开关信号,也是脑控系统实际应用的一个值得研究的方向。


3)脑控系统的人机适应性。一方面要进一步研究BCI性能因人而异的问题:另一方面要进一步重视BCI系统使用者的状态问题。因为使用终端是人,人的状态与感受也将直接影响系统被使用的性能,所以要评判一个脑-机接口范式与设置参数的好坏一定要把人因考虑其中,这样才能设计出具有较高用户友好性而真正能为人类服务的脑控系统。


4)BCI系统性能评价的统一标准。由于目前的研究基本处于实验室阶段,尚无统一的理论框架和规范,兼容性较差。目前主要从信息传输率、延迟和响应时间、脑力负荷和用户友好性等人机交互角度去评价BCI,从应用产品商业化的角度看,科学评价的标准还需进一步完善和统一。


四、展望

脑控系统的研究已取得了迅速的发展。展望未来,作为一门多学科交叉的新兴研究领域,脑控系统既有广阔的发展前景,也将面临一系列严峻的挑战。尤其是可能的军事化应用,更是吸引了众多航天强国的关注。从应用上讲,脑控系统能够帮助航天员更加精准的实时空间操控,对未来空间在轨操作、空间攻防、空间态势感知等均有可能带来颠覆性影响,而美国作为航天系统的引领,已经开始空间脑控系统的研究和部署,值得后续的关注,主要可能的研究内容包括:


1、进一步探索和发现新的脑电信号模式

通过对现有信号模式的优化和融合来提供稳定可分的有效特征是一个可行的方法;其次通过视觉、听觉和触觉等多渠道诱发的方法可提供可分性更强的脑电模态,并进一步提高脑-机接口系统的适用面。


2、高性能控制信号转换算法的研究

针对目前脑控系统信号转换过程中所存在的维数灾、过拟合和低自适应性等问题,利用模式识别和机器学习中的新理论和方法,寻求和发展新的多维、高精度、自适应算法。


3、脑控系统的智能化研究

在脑控系统中,人脑和计算机紧密结合,这种结合体现了生物智能和人工智能的结合,脑控系统可以成为研究这两种智能的平台。揭示人类大脑智能的奥秘和探索人工智能的极限,始终是跨世纪的科学难题。


4、人机融合系统的理论和方法研究

脑控系统是一类非常特殊的人机融合控制系统。从控制产生的机制看,实施的是人的“意念和思维”的控制;从系统的构成看,人既是控制者,又是被控对象,“机”既是实施控制的执行者,又是产生控制的引导者。在通常的控制系统中,一般不考虑人的因素,人本身并不作为系统的组成部分,而是独立于控制系统之外的。面对这一类特殊的控制系统,如何描述,如何建模、设计和优化,如何分析和评价等都是很值得思考和研究的新问题,目前还缺乏深入系统的研究。


来源: 国防科技要闻



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