脑意图受限映射下的四足机器人脑机行为交互机理与协作控制研究

Direct brain-controlled bionic robots have wide application prospect. In view of the constraints - - the lack of EEG signal mode, delay of decoding time and decoding error - - of the current technology of brain-computer interface on the development of EEG controlled robots, this project adopts the quadruped robot as the research object, conducts research on the scientific issues, such as: basic theory and key technology of brain-machine interaction when the mapping of movement intention is limited; multi-level intention recognition, fault tolerance mechanism and motion control of EEG controlled robot behavior. Detailed research topics include: mechanisms of brain machine interaction and coordination in the tasks in complex environment; EEG decoding tolerance and intention recognition fault-tolerant; the behavior control architecture and action generation method of the EEG controlled robots; prototype development, testing and evaluation of the EEG controlled quadruped robot. The smooth implementation of this project is expected to bring breakthrough in the theoretical and technical perspectives: reveal the mechanism of brain-computer interaction, and propose, for the complex task environment, the approach of intention recognition and EEG tolerance of the human machine collaboration; propose optimization methods for the behavior control architecture, and the action generation of the brain controlled quadruped robot; develop system prototype of the brain controlled quadruped robot. This research project has basic and perspectiveness, and will strongly impetus the application process of the brain controlled robot.

脑控仿生机器人具有广阔的应用前景。面对可解码脑电信号模式数量少、解码存在时间延迟与误码等脑机接口技术现状对脑控机器人发展的制约，本项目以四足机器人为对象，针对人脑意图受限映射下脑机交互与协作的基础理论与关键技术，围绕具有多层次人脑意图识别和容差容错机制特征的脑机交互，以及脑控机器人动作行为控制等科学问题开展研究，具体包括：复杂任务环境中的脑机交互作用机理和协作机制；脑电信号解码容差与意图识别容错；脑控仿生机器人的行为控制体系结构和动作生成方法；脑控四足机器人的原理样机研制与综合测试评价等。本项目的顺利实施预期在理论和技术上有所突破：揭示脑机交互作用机理，提出面向复杂任务环境的具有人脑意图识别和脑电信号容错的脑机协作方法；提出脑控四足机器人的行为控制体系结构、动作生成方法与优化方法；研发脑控四足机器人系统原理样机。本项目的研究具有基础性和前瞻性，并将有力推动脑控机器人的应用进程。

脑控仿生机器人具有广阔的应用前景。针对脑机接口技术现状对脑控机器人发展的制约，本项目以四足机器人的脑机协作动作控制为具体目标，针对人脑意图受限映射下脑控四足机器人系统基础理论与关键技术开展研究。. 针对脑电信号提取与检测问题，提出了静磁场/静电场的快速测量方法，相比传统行列扫描式检测法提升了速度与精度，研制了磁场测量装置，用于环境电磁场分布测量；提出了二维电流干涉流线分布模型，为磁场和电场的精密测量提供了新的理论依据；研究了脑机接口中任务环境信息的描述与反馈方法，研发了脑机接口信号采集与反馈可视化软件，采集并封装了脑电样本离线数据库。. 针对四足机器人高适应性运动机构设计问题，提出了基于小型仿哺乳类四足机器人新构型，可实现漫步、小跑、跳跃、匍匐等多种运动形态；提出了兼具球式滚动与足式行走混合特征的足式新构型，可实现高效率运动与高地形适应性；提出了借助爪足自主越障的球式机器人新构型，以及偏心式足桨机器人新构型，以实现野外地形高效运动。. 针对四足机器人自适应动作生成问题，构建了模拟足式节律稳定行走的无边轮机构新模型，研究了模型任意初始状态，任意地形倾角变化条件下，系统多种运动状态间的转换机制，进而将其映射为实际足式步态并实现自适应足式行走。针对复杂地形应用，提出了非往复式的足式步态规划方法及稳定控制方法。构建了足式机器人抵抗外力扰动的系统方案；研究了足式运动动力学仿真方法，开展了足式动态运动性能模拟测试。研究了肢体末端柔软结构单元的变刚度模型，为力控式脑控提供理论依据。. 针对脑机协作控制问题，基于机器人本能节律行走和反射平衡控制机制，应用人体运动神经自发反射行为所关联脑电信号，构建了运动控制意图的自然映射脑机协议，从而实现更为自然的人与机器人底层动作直接交互的脑机协作。提出将机器人行为控制系统与机器人动力学模型构成第一级耦合，实现机器人对动态环境的快速反应；将人脑神经控制机制与机器人系统构成第二级耦合，进一步增强环境适应性和任务执行能力。. 研制了多种足式机器人样机，开发了基于离线脑电数据的机器人脑控测试系统，开展了弹跳、侧向抗扰测试，验证了四足机器人自主运动能力；开展了运动姿态偏角脑控调整测试、脑控综合运动测试等脑控系统原理测试。实验结果表明，四足机器人在用户意图受限表达条件下，可实现具有多种运动形态、适应地形变化、抗外界扰动的能力。