基於腦-機介面的空間機器人控制技術發展綜述

隨著各國探索太空腳步的加快，空間已經成為世界航天強國的必爭之地。面對在軌操作、碎片清除、態勢感知、載人航天等任務的多樣性和複雜性挑戰，空間腦控技術逐漸成為近些年的熱點研究領域，以美國為首的軍事強國開始投入巨資展開相關研究，藉助軍民融合的SpaceX等先進企業大力發展空間腦控機器人等設備，值得關注和研判。

一

空間機器人發展概況

1、空間機器人概述

空間機器人主要由空間機器人基體及搭載在基體上的機械臂組成，可以在太空中完成各種任務作業。例如: 衛星的釋放和回收、空間站的維修以及飛行器燃料的加註等。而這些任務很難由航天員獨立完成，通常需要藉助空間機器人協助執行。

空間機器人與地面機器人的顯著區別是空間機器人的基體（衛星）不是固定的，而是在太空中處於自由飛行或浮游狀態，這樣相對於地面機器人系統增加了六個自由度。空間飛行器基體姿態和位置的調整通常利用動量輪或反作用噴氣推力器作為執行機構，這無疑浪費了寶貴的有限燃料，縮短了空間飛行器的壽命。按照空間飛行器的基體姿態和位置是否可控，可以分為三種情況：第一種為基體位置及姿態均可控，這等同於地面機器人；第二種為基體位置不可控，姿態可控，這主要針對某些具有一定姿態要求的通信衛星進行相應調整；第三種為基體位置及姿態均不可控，即自由漂浮空間機器人，這種機器人最大範圍內節省了燃料，延長了壽命。

2、國外空間機器人發展概況

（1）美國空間機器人

美國從20世紀80年代初就陸續開展了空間機器人的研究項目，其主要研究項目有FTS，Skyworker，Robonaut，Ranger和軌道快車等。

FTS是美國最早的空間機器人研究項目，主要在空間站上執行各種裝配、維修及協助視覺監測等繁雜任務。FTS由兩個機械臂及一個定位腿組成，屬於類人機器人，機械臂可以在高靈巧系統中於工作空間內無奇點地提供89牛的力和27牛·米的力矩。機械臂運動結構是對稱的，力/力矩感測器安裝在機械臂末端，工作於遙操作模式下，如圖（1）所示。

Skyworker由卡耐基-梅隆大學研製，屬於附著移動機器人，如圖 （2）所示。該機器人藉助於所在支撐平台的反作用力，移動並操縱各種載荷進行工作。當承載載荷較大時，採用連續的步態保持負載勻速運動，避免每一步均進行加減速。這種工作方式可以在反作用力最小的情況下使得能量利用率更高，是一種能夠對大空間結構自主裝配、監測和維修的低成本機器人。

圖（1）FTS系統

圖（2）Skyworker系統

Ranger TFX是一種靈巧空間機器人系統，具體如圖（3）所示，項目開始於1992年，是一種具有自由飛行能力的空間機器人。當時主要是為了滿足哈勃望遠鏡機器人服務的要求，而後在此基礎上又開發了針對太空梭進行演示任務的RTSX項目，如圖（4）所示。

圖（3）Ranger TFX系統

圖（4）RTSX系統

Robonaut是NASA開發的空間類人機器人，如圖（5）所示。它是一個多自由度靈巧機器人，主要是作為助手與航天員一起工作，並執行日常維修任務。「軌道快車」計劃是在1999年公布的，如圖（6）所示。主要用於開發研究未來空間在軌補給和修復、重構等技術，試驗修復衛星，進行各類儀器的太空試驗，並利用在軌飛行演示與驗證。

圖（5）Robonaut系統

圖（6）「軌道快車」概念

（2）加拿大空間機器人

世界上第一個成功應用于飛行器的空間機器人系統為加拿大MD Robotic公司於1981年研製的SRMS系統，如圖（7）所示。該機械臂總長15.2米，由一個肩關節、肘關節和腕關節組成，其主要功能為投放衛星進入恰當的軌道和維修失效衛星等，該機械臂還修理過哈勃太空望遠鏡。在此基礎上，加拿大MD Robotic公司繼而開發了應用於空間站的遙控機械臂系統MSS，如圖（8）所示。該系統主要由活動基體系統、空間站遙控機械臂系統（SSRMS）及專用靈巧機械臂（SPDM）等三部分組成。其中SSRMS是一個七自由度機器人，由兩個臂桿組成，主要用於大型物體搬運和組裝；SPDM是SSRMS臂的靈巧手，長約3.5米，質量約1660千克；靈巧機械臂的本體裝配在遙控機械臂系統的末端來執行一些更加細緻的操作任務。

圖（7）SRMS系統

圖（8）MSS系統

（3）德國空間機器人

德國是歐洲國家中對空間機器人研究比較重視的國家，空間機器人研究主要有ROTEX項目、ESS項目、ROKVISS項目和TECSAS項目等。

ROTEX項目於1986年啟動，是一個小型六軸機器人系統，1993年在哥倫比亞號太空梭上進行了飛行演示，執行了抓取物體、機械裝配及拔插電插頭等多個試驗任務，是世界上首例具有地面遙操作功能的空間機器人，具體組成如圖（9）所示。ESS項目如圖（10）所示，是為GEO軌道通信衛星進行服務的，其主要任務是將ROTEX中已經驗證的遙操作思想用於自由空間環境中執行衛星服務。ROKVISS由一個兩關節機器人及相關輔助設備共同組成，主要用於驗證機械臂的功能，如圖（11）所示。該項目於2004年跟隨俄羅斯「進步」號貨運飛船發射升空，然後在ISS上進行飛行試驗，並進行了相關試驗驗證。TECSAS項目是2003年德國宇航中心資助研究的，如圖（12）所示。該項目計劃採用目標衛星和跟蹤衛星進行試驗，其中機械臂和手抓取系統安裝在跟蹤衛星上，能夠對空間設備維修及服務系統中比較關鍵的技術進行試驗驗證。

圖（9）ROTEX項目

圖（10）ESS項目

圖（11）ROKVISS項目

圖（12）TECSAS項目

（4）日本空間機器人

日本在空間機器人領域取得了很大成功，其中主要的有MFD項目和ETS-VII項目，如圖所示。這些項目均取得了極大的成功，未來日本將在國際空間站的日本艙段裝配JEMRMS系統。

MFD系統是日本的第一個空間機械臂試驗項目，在1997年於「發現號」太空梭上成功進行了演示試驗，如圖（13）所示。其主要作用為：1）對空間機械臂性能進行評估；2）對空間機械臂控制系統人機介面的性能進行評估；3）採用機械臂對ORU的安裝與卸載、門的開及關等能力進行演示試驗；4）對地面遙操作進行演示試驗等。

ETS-VII是世界上第一個真正的自由飛行空間機器人系統，如圖（14）所示，於1997年發射升空。其主要目的是科學試驗：一是兩顆衛星的交會對接試驗；二是對空間機器人做各種操作試驗。ETS-VII空間機器人具有六自由度；長2.4米，重約150千克。第一關節與最後關節處分別安裝有一個相機。

（13）MFD系統

（14）ETS-VII系統

JEMRMS是用於空間操作的機器人系統，NASDA負責研製。該機器人由主臂和小臂SFA串聯組成，主臂長約10米，主要由6個關節和2個臂桿組成；小臂長約2米，主要由6個關節、2根臂桿以及一個末端效應器組成。航天員執行任務時可以藉助於這兩個臂桿進行更多的操作，下圖為JEMRMS搬運有效載荷的過程。

日本的JEMRMS系統

3、技術與科學挑戰

美國於2011年啟動的先進位造夥伴計劃中指出：「新一代機器人將與人類操作者緊密合作，為產業工人、健康服務者、士兵、手術醫生、以及航天員等完成複雜任務提供新的能力」。然而，現有的機器人系統要達到在人類正常的生產、生活環境，尤其是太空環境中成為人類助手的目標，還面臨諸多技術挑戰。目前，機器人仍未脫離自動化機器的範疇；人與機器人仍然被定義為使用和被使用、替代和被替代的關係，而不是人與機器人的合作夥伴關係。機器人在設計過程中很少考慮與人在同一空間內緊密協調合作，使得如本質安全、人機協同認知和行為互助等基本問題都沒有得到很好解決。要從根本上解決目前機器人與新需求之間的矛盾，需要重新審視其核心技術的發展理念。在人與機器人的關係上，人的優勢是智、靈、變，包括思維與邏輯推理、學習與技能遞進、經驗與實時決策等；而機器人的優勢是精、穩、准，包括速度、精度、負重、重複一致性、耐疲勞、連續作業等。

在技術上，亟待突破的挑戰可以凝練為三個方面：1）安全挑戰：機器人與人之間的物理界限消失，人和機器人將頻繁接觸，要求機器人在行為過程中確保人-機-物的安全；2）行為挑戰：要求機器人在非結構、不可預知動態環境中完成使命，任務目標及指標更加多樣、操作靈活性及柔性要求更高、人機合作程度加深、任務過程複雜多變；3）交互挑戰：要求具備多信息源綜合的交互手段，具有人類意圖理解能力，機器人與人狀態信息能實時雙向傳遞。上述三方面挑戰是機器人與人融合中亟待突破的瓶頸問題，也是目前國際機器人學領域研究的重點和難點問題。

如前所述，空間機器人設計與控制、智能交互與感知等研究取得若干突破性進展，為共融機器人研究提供了堅實的理論與技術基礎，同時也面臨著一系列亟待解決的難點與科學挑戰。

1）結構與驅動方面，有待深入探究機器人性能對任務及環境的適應性規律，為共融機器人結構創新提供理論依據；

2）交互與感知方面，需深入研究機器人、人與環境之間的自然交互機理與安全機制，為機器人與人的智能融合提供技術保障；

3）智能與控制方面，有待系統研究自主行為控制與群體智能機理，為共融機器人資源與行為管理提供技術保障。

二

腦機融合控制系統

人的意念或思維活動是虛擬的，屬於精神層面，難以直接操控系統。為了實現腦控，人們試圖在人腦與計算機或其他電子設備之間建立起直接交流和控制的通道。這種通道的建立必須具備兩個條件：科學依據和技術支撐。

從控制科學的角度看，大腦是人體所有運動、語言機能的控制中心，以外部神經為媒介向身體發出指令。神經科學的研究發現即使外部神經和肢體因損傷而失去作用，但大腦的功能還是正常的，大腦發出的指令信息可以通過腦電信號傳遞出來。研究還發現人們在進行某些思維活動時或者在外界某種刺激的誘發下，腦電信號會呈現出某種相對應的、有規律的變化模式。由此，抽象的、虛擬的大腦活動所表達的人的意願就有可能通過實在的、物理的腦電信號而表徵出來，腦電信號就成為人腦與外部聯繫的橋樑。神經科學的上述研究成果為腦控的研究提供了科學依據和工作原理。

另一方面，腦-機介面（BCI）技術的迅速發展為腦控的研究提供了技術支撐，使腦控系統得以實現。腦-機介面是通過計算機或其他電子設備在人腦與外界環境之間建立一條不依賴於外周神經和肌肉組織的對外信息交流和控制通路。它將攜帶著受試者「意願」的特定腦電信號模式的特徵，轉換為控制命令傳遞到外部設備自人機間的不斷交互、適應和協商。作為一種通信系統，腦-機介面主要由以下幾部分組成：信號採集，即採集大腦信號；信號處理，即從採集到的信號中提取大腦信號特徵並將其轉化為設備的控制指令；應用介面，即將控制指令傳輸給外部設備，以實現對外部設備的操控；操作協議，即引導操作流程。

在基於腦電信號的腦-機介面系統中，受試者產生的ERP成分大致可以分為內源性和外源性兩類。其中外源性的成分取決於外部物理刺激（聲、光、電）的屬性和參數，而內源性成分則與人的心理因素相關，在一些情況下，也會產生既與外部刺激相關又與心理因素相關的中源性成分。BCI可以按ERP成分的不同加以分類，也可根據信號採集的方式不同分為侵入式和非侵入式。侵入式需專業醫生進行手術把電極內置於人或動物的大腦內，檢測腦皮層電圖（ECoG）等信號，有一定危險性，還存在心理和倫理問題；非侵入式是將電極帽戴在頭上檢測腦電圖（EEG）等信號，檢測方法簡單，但電極距離神經元較遠，測得的信號信噪比較低，對後處理的要求較高。此外，功能性磁共振成像（ FMRI）、近紅外光譜（NIRS）、腦磁圖（MEG）等均被用於BCI，但考慮到安全性、價格、使用方便等因素，最普遍使用的還是基於頭皮腦電EEG的非侵入式腦-機介面。

目前，腦控系統的研究主要包含三個方面：1）人腦思維或意念與腦電信號的關係：研究在自發或外界誘發的條件下，不同的思維或意念所對應的腦電信號模式；2）腦-機介面的設計與構建；3）應用系統研究和開發：根據不同的目的和任務，設計和構建相應的基於腦-機介面的控制系統和裝置。腦控系統的結構示意圖如下。

三

腦控空間機器人問題與挑戰

從控制科學的角度看，腦控空間機器人給控制科學的研究帶來了新的機遇、新的問題和新的挑戰。目前，這類控制系統的研究仍然處於初級階段，面臨著許多問題和困難，其中既有科學上的難題，也有應用中的關鍵技術難點。以下結合發展現狀，對這些問題作一些簡要的論述和分析。

1、腦電信號模式研究

如上所述，人們已經發現和使用了多種腦電信號模式來構建腦-機介面，但是由於人腦思維和腦電信號的複雜性，至今所使用的這類腦電信號模式都存在一些不足之處，而且數量較少。因此，腦電信號新模式的研究就顯得特別重要。目前，在該方向的研究中基本遵循三條思路：1）針對已有模式中的問題，進行優化和完善；2）取長補短，將二種或更多種已有的信號模式進行融合，形成融合型的腦電信號模式；3）基於認知神經科學等的研究成果，發現新的腦電信號模式。

在已有的EEG模式研究中，SCP是較早被使用的模式，但是基於SCP的系統，使用者必須經過數月的訓練才能完全控制SCP的正負變化，所以在實際應用上並不是非常方便。基於運動想像模式的ERD/ERS和MRPs等信號是目前BCI研究中的熱點，它有明確的神經生理現象作對應，其他多數的採樣信號還缺乏具體意義，很難把腦電信號類型與心理意識活動直接聯繫起來。它在方向控制等方面具有優勢，並且適用於中風等康復訓練。但是運動想像電位存在信號不穩定、識別速度低、可識別模式少、訓練時間長和適用人群窄等問題。

在誘發電位中，視覺誘發電位因為其具有豐富的編碼命令、穩定的信號信息、較高的識別速率和準確率，是現在研究最多的誘發電位。研究人員對SSVEP進行了深入研究，提出了一系列識別SSVEP的方法。如典型相關分析（CCA）等，並實現了用SSVEP撥電話號碼。並對穩態視覺誘發電位試驗新範式等進行了研究，利用同一目標進行多頻誘發來實現較少頻率下多目標控制的目的。研究人員把時間與頻率特性相結合利用較少的誘發頻率實現多目標控制並且減少誘發頻率間的干擾。但是這類信號品質受誘發目標形式、誘發刺激分布與序列模式、人的感知缺陷等因素影響。視覺誘發只能適用於視覺系統完好的人群，對於盲人卻無法適用，並且需要人的視覺注意，可能阻斷當前工作狀態。聽覺和觸覺誘發雖然可以脫離視覺器官，有其特有的適用人群，但是聽覺和觸覺誘發的電位相對微弱，可分性低。

P300事件相關電位對不同人群適用性高，相比於其他電位較穩定，識別準確率較高，編碼組成的控制信號較豐富，一般不需要進行訓練，但是P300等電位也存在一些問題：有研究表明，誘發模式的優劣將直接影響ERP誘發電位的可識別性，從而影響腦-機介面系統的輸出正確率和效率。目前誘發模式的研究主要集中於：誘發目標之間的呈現時間研究；誘發目標的呈現方式研究，其主要包括誘發矩陣、誘發目標分布、誘發目標屬性研究和誘發序列研究等。

融合誘發與多模態腦電信號的融合研究可以提高腦-機介面的穩定性、靈活性和人群適用性。2011年研究人員利用人臉作為刺激來誘發事件相關電位，發現利用著名人臉可誘發N400，能有效提高分類準確率。在多模態融合的研究中，2010年研究人員提出把運動想像和穩態視覺誘發電位相融合的思想以提高腦-機介面的在線性能。2011年又將基於穩態視覺誘發電位的腦-機介面，基於運動想像的腦-機介面與融合狀態下的腦-機介面進行相互比較，並作了詳細的分析研究，之後成功將穩態視覺誘發與運動想像的融合方法用到機械臂控制中。2012年研究人員對該系統做了進一步優化，成功將該方法以同步控制方式應用到滑鼠控制中。

2、應用系統研究

迄今，關於腦控系統的研究大多處於實驗室研究價段，真正的實用系統很少。但與初期的研究相比，多個基於BCI的腦控系統均已實現了在線實時控制與反饋，一些應用系統也相繼問世。從應用的角度分析，大體可以分為醫療領域和非醫療領域兩類。在醫療領域，主要是為思維正常而肢體障礙的患者對外交流和對外部設備的控制提供幫助，例如為這些人群提供基於BCI的智能輪椅、神經假肢、虛擬打字和操控機器人等。在非醫療領域中，BCI已應用到操作員功能狀態監測、遊戲娛樂和智能家居等領域。其中遊戲娛樂是一個被成功應用的例子，應用BCI技術，人們通過「意念或思維」控制滑鼠、鍵盤或操作桿來完成電子遊戲或進行機器人足球賽等。

從實用的角度看，目前的腦-機介面技術還存在著諸多問題，除了上述在腦電信號模式、控制信號轉換演算法方面的問題之外，還需要著重解決以下問題：

1）腦電信號採集設備的更新。腦-機介面研究中的首要問題是有效信號的穩定採集與處理，這是決定系統能否準確快速運行的關鍵所在。通過信號採集的硬體設備如感測器、放大器等的技術革新，使得在採集過程中非腦電信號能得到有效抑制，解決因頭皮頭骨的影響而減弱並干擾腦電信號的問題，從源頭上提高腦電信號的質量。此外，設備的易用性、便攜性上需不斷改進。目前已有多家公司生產了攜帶型的腦電圖採集設備。這些便攜設備儘管還不完備，但它們的出現使BCI的實用化邁出了重要的一步。

2）腦控系統的安全性。腦控系統是一個高度人機融合的系統，人的安全性是第一要素。近年來，為了考慮安全性，提出了關於「腦開關」的研究：在實際的腦控系統中，為了避免在非任務狀態下產生任務命令，腦-機介面系統開關，也稱腦開關，是不可缺少的。在基於腦電信號的輪椅控制，假肢控制等實際控制系統的操作中，誤發出的命令很可能會讓使用者陷入危險和很多不必要的麻煩，而且這類系統的主要應用對象是不能進行正常運動的殘疾病人，他們往往難以用肢體操作特定的按鈕來開啟控制系統。如何針對不同的目的和對象，找到一個安全可靠的腦開關信號，也是腦控系統實際應用的一個值得研究的方向。

3）腦控系統的人機適應性。一方面要進一步研究BCI性能因人而異的問題：另一方面要進一步重視BCI系統使用者的狀態問題。因為使用終端是人，人的狀態與感受也將直接影響系統被使用的性能，所以要評判一個腦-機介面範式與設置參數的好壞一定要把人因考慮其中，這樣才能設計出具有較高用戶友好性而真正能為人類服務的腦控系統。

4）BCI系統性能評價的統一標準。由於目前的研究基本處於實驗室階段，尚無統一的理論框架和規範，兼容性較差。目前主要從信息傳輸率、延遲和響應時間、腦力負荷和用戶友好性等人機交互角度去評價BCI，從應用產品商業化的角度看，科學評價的標準還需進一步完善和統一。

四

展望

腦控系統的研究已取得了迅速的發展。展望未來，作為一門多學科交叉的新興研究領域，腦控系統既有廣闊的發展前景，也將面臨一系列嚴峻的挑戰。尤其是可能的軍事化應用，更是吸引了眾多航天強國的關注。從應用上講，腦控系統能夠幫助航天員更加精準的實時空間操控，對未來空間在軌操作、空間攻防、空間態勢感知等均有可能帶來顛覆性影響，而美國作為航天系統的引領，已經開始空間腦控系統的研究和部署，值得後續的關注，主要可能的研究內容包括：

1、進一步探索和發現新的腦電信號模式

通過對現有信號模式的優化和融合來提供穩定可分的有效特徵是一個可行的方法；其次通過視覺、聽覺和觸覺等多渠道誘發的方法可提供可分性更強的腦電模態，並進一步提高腦-機介面系統的適用面。

2、高性能控制信號轉換演算法的研究

針對目前腦控系統信號轉換過程中所存在的維數災、過擬合和低自適應性等問題，利用模式識別和機器學習中的新理論和方法，尋求和發展新的多維、高精度、自適應演算法。

3、腦控系統的智能化研究

在腦控系統中，人腦和計算機緊密結合，這種結合體現了生物智能和人工智慧的結合，腦控系統可以成為研究這兩種智能的平台。揭示人類大腦智能的奧秘和探索人工智慧的極限，始終是跨世紀的科學難題。

4、人機融合系統的理論和方法研究

腦控系統是一類非常特殊的人機融合控制系統。從控制產生的機制看，實施的是人的「意念和思維」的控制；從系統的構成看，人既是控制者，又是被控對象，「機」既是實施控制的執行者，又是產生控制的引導者。在通常的控制系統中，一般不考慮人的因素，人本身並不作為系統的組成部分，而是獨立於控制系統之外的。面對這一類特殊的控制系統，如何描述，如何建模、設計和優化，如何分析和評價等都是很值得思考和研究的新問題，目前還缺乏深入系統的研究。

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