基于腦-機接口技術(shù)的柔性體夾持機械手末端執(zhí)行器系統(tǒng)設(shè)計*

程鼎豪，劉新華，金 康

（中國礦業(yè)大學(xué)孫越崎學(xué)院，江蘇徐州 221116）

0 引言

近年來，隨著腦科學(xué)、計算機技術(shù)和控制技術(shù)不斷發(fā)展，腦—機接口技術(shù)（BCI，brain-computer interface）正在不斷得到完善。BCI是一種不依賴于正常的由外圍神經(jīng)和肌肉組成的輸出通路的通訊系統(tǒng)[1]，該技術(shù)可以使人通過腦信號與電子設(shè)備連接溝通，是一種全新的通訊和控制方式[2]。

對于大多數(shù)殘障人士而言，機械手能極大地提高他們的生活質(zhì)量。國內(nèi)外相關(guān)團隊基于BCI對機械手控制方法進行了研究。美國布朗大學(xué)在癱瘓病人大腦中植入芯片，直接控制電腦的光標(biāo)，并用電腦控制其他設(shè)備，實現(xiàn)了BCI的首次臨床應(yīng)用[3]；Richard等[4]利用大腦皮層信號控制機器手抓緊物體；香港理工大學(xué)基于BCI-FES上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，通過腦電波來控制功能性電刺激設(shè)備，從而實現(xiàn)腕部和手部的運動[5]。上述研究側(cè)重于控制系統(tǒng)的研究，而目前的末端執(zhí)行器多以剛性夾持為主，對于柔性加持的末端執(zhí)行器研究較少。

殘障人士常需要抓取柔性體，例如不同種類的水果等，常規(guī)的機械手末端執(zhí)行器難以對柔性體進行穩(wěn)定的夾持。本文設(shè)計了一種基于BCI的機械手末端執(zhí)行器，包括機械手結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計，可對抓取物體表面產(chǎn)生的輕微的壓痕，具有結(jié)構(gòu)新穎、夾持穩(wěn)定和自動化程度高等優(yōu)點。

1 末端執(zhí)行器總體方案

基于BCI技術(shù)的末端執(zhí)行器總體設(shè)計方案如圖1所示。整個系統(tǒng)由腦電模塊、藍牙模塊、控制模塊和末端執(zhí)行器組成。腦電模塊包括信號采集系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)。信號采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)腦電波的采集，信號處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對腦電波分析和傳輸，經(jīng)藍牙模塊傳給控制模塊，由控制模塊轉(zhuǎn)換成相應(yīng)指令，控制末端執(zhí)行器完成柔性體夾取動作。

圖1 總體設(shè)計方案

圖2 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖

2 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

末端執(zhí)行器是指連接在機器人手臂末端的具有一定功能的終端執(zhí)行機構(gòu)，是夾持機械手的核心部件[6]。本文設(shè)計的末端執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)夾持器的向下壓力和圓周夾緊力。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖2所示，由氣缸和彈性夾持機構(gòu)組成，包括氣缸、密封圈、蓋板、墊片、推桿、液性塑料和夾持套。氣缸為動力裝置，夾持套為夾緊裝置。

氣缸安裝在末端執(zhí)行器上端，用螺栓連接在機械手臂上，帶動推桿上下移動。夾持套為圓柱形結(jié)構(gòu)，由彈性材料制成，內(nèi)設(shè)填裝液性塑料的半球形夾持套腔體，夾持套上部的蓋板將液性塑料封閉在球形容器內(nèi)。

夾持套外形為整體式，結(jié)構(gòu)簡單。夾緊部位為圓形，夾持角度廣，適合夾持柔性體。夾持套的材料為ABS，其彈性模量E1=2×108Pa，可以產(chǎn)生較小的柔性夾持力，不會對目標(biāo)物造成夾持傷害。

2.2 工作原理

在機械臂的作用下（本文不作研究），末端執(zhí)行器移動至柔性體上方，氣缸受控制系統(tǒng)作用，帶動推桿上下移動。當(dāng)推桿向下運動時，擠壓夾持套內(nèi)部的液態(tài)塑料，使夾持套向外膨脹，發(fā)生位移，一方面使夾持套向下移動，對目標(biāo)物施加向下按壓力；另一方面夾持套通過圓周位移，使圓柱形結(jié)構(gòu)的夾持套的抓取端成逐漸收攏狀，對目標(biāo)物施加圓周方向的夾緊力。夾持套的2種力同時施加在目標(biāo)物上，完成按壓、夾持動作（見圖2中虛線部分）。隨后，機械手臂將目標(biāo)物帶向指定位置。此時，推桿向上運動，夾持套內(nèi)部的液性塑料的膨脹力消失，夾持套松開目標(biāo)物，工作結(jié)束。液性塑料彈性模量為E2=2.94×107Pa，通過膨脹產(chǎn)生有限的力，不會使夾持套產(chǎn)生過大變形。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

腦電波是一種使用電生理指標(biāo)記錄大腦活動的信號，可分為多個波段：δ波（1～3 Hz）、 θ波（4～7 Hz）、 α 波（8～13 Hz）、 β 波（14～30 Hz）、 γ 波（30～80 Hz）。在睡眠時，會出現(xiàn)一些波形比較特殊的腦電波，如駝峰波、σ波、λ波、μ波等[7]；當(dāng)人智力發(fā)育不成熟或處于極度勞累、麻醉狀態(tài)時，會出現(xiàn)δ波；當(dāng)人患有精神疾病時θ波極為顯著；α波是正常人腦電波的基本節(jié)律，在沒有外加的刺激時頻率恒定，受到刺激時立刻消失；當(dāng)人情緒激動時β波會出現(xiàn)；在人心情愉悅或靜思冥想時，除α波外的其他波都被削弱，α波相對增強，在這種狀態(tài)下人更容易產(chǎn)生靈感[8]。

3.1 控制系統(tǒng)組成

基于BCI的柔性體夾持機械手末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)如圖3所示，是一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)。信號處理使用NeuroSky公司的Think Gear芯片。將干態(tài)電極傳感器貼在前額上，通過采集腦電波，過濾信號中的干擾因素并放大有效信號，使用eSense耳機算法，解讀使用者的思維活動。該芯片可以處理并輸出腦電波頻譜、腦電波信號質(zhì)量和eSense參數(shù)（專注度、放松度）。分析后的腦電波數(shù)據(jù)通過藍牙模塊發(fā)送到核心控制板，然后控制末端執(zhí)行器的動作。機械手的運動狀態(tài)通過人眼回饋給大腦，大腦繼續(xù)發(fā)出相應(yīng)指令，從而進行下一步動作的控制。

圖3 控制系統(tǒng)組成

3.2 硬件設(shè)計

腦電波傳感器的電極貼在前額，同時參考電極夾在耳垂上。傳感器采集信號并進行預(yù)處理、特征提取及分類等操作。預(yù)處理過程包括濾波、線性模擬和信號的放大。使用HC-05嵌入式藍牙串口通訊模塊傳遞數(shù)據(jù)給核心控制板?？刂瓢褰馕龀鱿鄳?yīng)的參數(shù)值，以0～200表示。設(shè)定一個閾值，該閾值可根據(jù)使用者實際狀況進行調(diào)整設(shè)置。當(dāng)參數(shù)值超過閾值后，控制板即發(fā)送PWM信號至電機驅(qū)動板，啟動末端執(zhí)行器。若參數(shù)值低于設(shè)定的閾值，指示燈閃爍，提示傳感器接觸不好，無法正常啟動末端執(zhí)行器。

核心控制板使用型號為ATmega328P-PU的AVR單片機，搭配自行設(shè)計的外圍驅(qū)動電路、信號濾波電路。AT-mega328P-PU是一款使用方便的單片機，采用先進的RISC結(jié)構(gòu)，具有32個8位通用工作寄存器。

腦電波傳感器使用NeuroSky公司的TGAM生物傳感器，能夠進行眨眼偵測、測量原始腦波信號、處理和輸出α，β等腦波波段數(shù)據(jù)、eSense專注度和放松度指數(shù)以及未來開發(fā)的其他數(shù)據(jù)。該傳感器采樣頻率為512 Hz，采集腦電頻率為3～100 Hz，輸出波特率為57 600，使用UART（串口）標(biāo)準(zhǔn)輸出接口通信，采用先進的噪音過濾技術(shù)，能減少日常生活中環(huán)境里的各種干擾，體積小，功耗低。

圖4 核心控制板程序流程圖

3.3 軟件設(shè)計

核心控制板程序流程圖如圖4所示。接收數(shù)據(jù)后，判斷數(shù)據(jù)包是否完整、信號是否有效以及強度是否達到閾值。若符合條件，由分析出的專注度與放松度共同控制機械手末端執(zhí)行器。在高專注度低放松度時，末端執(zhí)行器夾持并移動；在低專注度高放松度時，末端執(zhí)行器是放松（非工作）狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文基于腦-機接口技術(shù)設(shè)計了一種柔性體夾持機械手末端執(zhí)行器，末端執(zhí)行器外形為整體式，通過腦-機接口控制系統(tǒng)驅(qū)動氣缸推桿上下移動，使夾持套內(nèi)的液性塑料產(chǎn)生膨脹，幫助殘障人士進行柔性體的抓取操作。

該系統(tǒng)首次將液性塑料應(yīng)用于末端執(zhí)行器進行柔性體的夾取，且對夾持物產(chǎn)生較小的壓痕，具有結(jié)構(gòu)新穎，柔性夾持和便于操作等特點。實際應(yīng)用中會因干擾信號存在，影響末端執(zhí)行器的反應(yīng)靈敏度，故該系統(tǒng)需進一步優(yōu)化。