汪世鹏等：基于EtherCAT总线的七自由度机械臂的隐蔽攻击技术 ·1661 (-s-per)/paads (a) -0.5 -1.0 -0.4 -0.6 -1.5 Speed curve (-s-pe)/paadS Speed curve -0R -2.0 -2.5 9 3 4 5 4 Time/s 80 0 7 -2 8 Position curve -4Position curve -6 5 4 5 6 4 Time/s Time/s ◆ (c)8 图10正弦攻击.(a)正常工作下的速度位置曲线：(b)正弦攻击下的速度位置曲线：(c)ROS-EtherCAT主站状态 Fig.10 Sinusoidal attack:(a)speed position curve under normal working;(b)speed position curve under sinusoidal attack;(c)ROS-EtherCAT master status 数据采用的是大端模式，七自由度机械臂上CAN 提出的系统辨识算法辨识效果良好 总线数据按照帧格式可以看到数据为帧D,为 根据本文提出的七自由度机械臂隐蔽攻击模 0xl07,数据长度(Data length count,DLC)为0x06, 型，七自由度系统辨识参数以及七自由度机械臂 接下来的为数据区，数据分别为0x05、0x9c、0x34、 的运动学模型构建出的攻击，攻击函数采取正弦 0x16、0x00、0x00、0x00、0x00.基于图11(a)分析 攻击函数，攻击效果如图12所示.从图12(a)中可 得到的EtherCAT总线传输的数据格式，结合关节 以看到ROS-EtherCAT主站在攻击者进行隐蔽攻 控制器内存控制表信息（图11(b),根据提出的多 击时并未检测到任何异常，并且认为机械臂已经 种群粒子群的七自由度系统辨识算法对七自由度 到达了目标位姿，而图12(b)是机械臂的真实位姿 机械臂系统进行参数辨识.首先，根据上述得到的 状态，和图12(a)中显示的位姿有明显差异，从而 传输数据将群体中的n个粒子随机初始化到解空 验证了本文提出的七自由度机械臂隐蔽攻击技术 间，划分群体为多个种群，通过适应度函数来计算 的实施具有良好的隐蔽性，根据需要造成的破坏 每个子群中粒子对应的适应值，然后主种群、从子 大小构造出攻击函数能够造成很严重的后果 群更新，计算从子群中每个粒子的适应度函数值， 从不同的角度对比上述攻击，如表3所示.本 判断当前位置是否为优于全局最优值.需要辨识 文提出的七自由度机械臂隐蔽攻击技术在实施上 的参数有42个，通过上述过程得到相应的最优值. 比较复杂，但是在保证破坏性的情况下具有较好 表2列出了关节6和关节7参数辨识结果，其中位 的隐蔽性 置PID参数为外环控制关键参数，速度PID为内 4结论 环控制关键参数，位置外环参数是速度内环的输 入.从真实值和辨识值之间的对比，可以看到本文 本文提出了基于七自由度机械臂的隐蔽攻击数据采用的是大端模式，七自由度机械臂上 CAN 总线数据按照帧格式可以看到数据为帧 ID，为 0x107, 数据长度（Data length count, DLC）为 0x06， 接下来的为数据区，数据分别为 0x05、0x9c、0x34、 0x16、0x00、0x00、0x00、0x00. 基于图 11（a）分析 得到的 EtherCAT 总线传输的数据格式，结合关节 控制器内存控制表信息（图 11（b）），根据提出的多 种群粒子群的七自由度系统辨识算法对七自由度 机械臂系统进行参数辨识. 首先，根据上述得到的 传输数据将群体中的 n 个粒子随机初始化到解空 间，划分群体为多个种群，通过适应度函数来计算 每个子群中粒子对应的适应值，然后主种群、从子 群更新，计算从子群中每个粒子的适应度函数值， 判断当前位置是否为优于全局最优值. 需要辨识 的参数有 42 个，通过上述过程得到相应的最优值. 表 2 列出了关节 6 和关节 7 参数辨识结果，其中位 置 PID 参数为外环控制关键参数，速度 PID 为内 环控制关键参数，位置外环参数是速度内环的输 入. 从真实值和辨识值之间的对比，可以看到本文 提出的系统辨识算法辨识效果良好. 根据本文提出的七自由度机械臂隐蔽攻击模 型，七自由度系统辨识参数以及七自由度机械臂 的运动学模型构建出的攻击，攻击函数采取正弦 攻击函数，攻击效果如图 12 所示. 从图 12（a）中可 以看到 ROS-EtherCAT 主站在攻击者进行隐蔽攻 击时并未检测到任何异常，并且认为机械臂已经 到达了目标位姿，而图 12（b）是机械臂的真实位姿 状态，和图 12（a）中显示的位姿有明显差异，从而 验证了本文提出的七自由度机械臂隐蔽攻击技术 的实施具有良好的隐蔽性，根据需要造成的破坏 大小构造出攻击函数能够造成很严重的后果. 从不同的角度对比上述攻击，如表 3 所示. 本 文提出的七自由度机械臂隐蔽攻击技术在实施上 比较复杂，但是在保证破坏性的情况下具有较好 的隐蔽性. 4    结论 本文提出了基于七自由度机械臂的隐蔽攻击 0 −0.5 Speed curve (a) −1.0 −1.5 −2.0 −2.5 0 1 2 Time/s Speed/(rad·s−1 ) Speed/(rad·s−1 ) Position/rad Position/rad 3 4 5 6 7 0 1 2 Time/s 3 4 5 6 7 80 Position curve 75 70 65 55 60 0 Position curve −2 −4 −8 −6 −1.2 0 −0.2 Speed curve (b) −0.4 −0.6 −0.8 −1.0 0 1 2 Time/s 3 4 5 6 7 0 1 2 Time/s 3 4 5 6 7 (c) 图 10    正弦攻击. （a）正常工作下的速度位置曲线；（b）正弦攻击下的速度位置曲线；（c） ROS-EtherCAT 主站状态 Fig.10    Sinusoidal attack: (a) speed position curve under normal working; (b) speed position curve under sinusoidal attack; (c) ROS-EtherCAT master status 汪世鹏等： 基于 EtherCAT 总线的七自由度机械臂的隐蔽攻击技术 · 1661 ·