基本認(rèn)知與操作能力對機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)績效及人誤的影響

朱淑佩， 唐偉財， 王篤明， 肖 毅*

(1.浙江理工大學(xué)， 杭州 310018； 2.中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點實驗室， 北京 100094)

1 引言

空間站機(jī)械臂在空間對接、維修及救援等任務(wù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，利用機(jī)械臂遙操作輔助和代替航天員操作極大程度上保障了航天飛行任務(wù)的安全性，提高了在軌任務(wù)執(zhí)行效率。機(jī)械臂遙操作包括大范圍轉(zhuǎn)移和精細(xì)操作2 個操作階段，航天員在精細(xì)操作階段出現(xiàn)的人誤并不少見。 因此，識別機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)(Manipulator Fine Docking，MFD)中績效及人誤的影響因素，對于提高任務(wù)績效、減少人誤等都有重要意義，同時也有助于篩選航天員選拔指標(biāo)。

國內(nèi)外已有針對認(rèn)知能力與機(jī)械臂遙操作任務(wù)的關(guān)系研究。 Brandan 等通過對操作者在空間站遙操作任務(wù)績效及視角轉(zhuǎn)換等能力測試研究中，發(fā)現(xiàn)視角轉(zhuǎn)換得分高者在對接任務(wù)中明顯更快、更準(zhǔn)確，碰撞的頻率也更少，同時對接失敗的主要原因是操作者的距離感知不夠準(zhǔn)確。 Menchaca-Brandan 等通過模擬空間站對接任務(wù)發(fā)現(xiàn)各項任務(wù)績效與操作者的心理旋轉(zhuǎn)和空間定向能力有很強的正相關(guān)關(guān)系。 Eyal等通過對腹腔鏡遙操作績效與志愿者的心理旋轉(zhuǎn)和空間定向能力進(jìn)行相關(guān)性分析，也發(fā)現(xiàn)了類似結(jié)果。 Dan 等通過模擬機(jī)械臂對接瞄準(zhǔn)遙操作任務(wù)發(fā)現(xiàn)心理旋轉(zhuǎn)能力顯著影響對接遙操作任務(wù)的效率及可靠性。 田雨等開展了認(rèn)知能力與手控交會對接任務(wù)績效的關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果顯示三維心理旋轉(zhuǎn)、速度知覺、視覺搜索等能力與人控交會對接任務(wù)績效緊密相關(guān)。Riley 等指出操作者的注意分配能力越強，操作者在操作過程中更能將注意資源合理分配到各項關(guān)鍵信息中，對任務(wù)場景的認(rèn)知更加完整，操作績效相對更好。 唐偉財?shù)韧ㄟ^典型遙操作任務(wù)分析發(fā)現(xiàn)注意持續(xù)、空間記憶及工作記憶等能力也與遙操作任務(wù)績效及人誤相關(guān)，采用提取機(jī)械臂遙操作過程中的自發(fā)腦電功率譜特征及非線性動力學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)腦力負(fù)荷主要來源于空間認(rèn)知及距離知覺。

在空間遙操作任務(wù)中，操作能力直接影響任務(wù)能否安全、精準(zhǔn)完成。 手柄輸入量控制能力、平滑操作能力是NASA 選拔航天員重要的考察項目。 此外，王萌等通過對交會對接任務(wù)進(jìn)行人誤行為分析，也發(fā)現(xiàn)手動操作能力是造成航天員失誤的主要因素。 目前，已有一些針對不同群體和不同任務(wù)類型的操作能力測試。 針對空間站遙操作任務(wù)的操作特點，中國航天員訓(xùn)練中心開發(fā)了一套較為完整且有針對性的操作能力測試平臺，用于航天員等操作人員的操作能力評測，包括定向控制、定點控制、速度控制、方向控制、綜合控制、手柄操作準(zhǔn)確性、手柄操作穩(wěn)定性、雙手協(xié)調(diào)控制等8 個模塊。

綜上，基本認(rèn)知能力及操作能力與空間遙操作任務(wù)績效及人誤緊密相關(guān)，目前國內(nèi)尚缺乏較為全面的基本認(rèn)知能力及操作能力對機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)績效及人誤的影響研究。 本文基于機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)，設(shè)計開展基本認(rèn)知能力、操作能力與機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)績效及人誤關(guān)聯(lián)實驗，研究識別機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)的影響因素，對航天員的選拔訓(xùn)練、在軌認(rèn)知監(jiān)測、操作系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及任務(wù)安排等方面有重要意義。

2 方法

已有研究表明，距離知覺、方向知覺、速度知覺、注意分配、持續(xù)注意、心理旋轉(zhuǎn)、視角轉(zhuǎn)換、空間記憶、工作記憶、視覺追蹤等基本認(rèn)知能力，以及定向控制、定點控制、速度控制、方向控制、綜合控制、手柄操作準(zhǔn)確性、手柄操作穩(wěn)定性、雙手協(xié)調(diào)控制等操作能力與遙操作任務(wù)績效及人誤相關(guān)，故本文主要研究以上10 項基本認(rèn)知能力及8 項操作能力對機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)績效及人誤的影響。

2.1 志愿者

中國航天員科研訓(xùn)練中心20 名志愿者(女7名，男13 名)，年齡(26.5±2.44)歲，本科及以上學(xué)歷，右利手，雙眼矯正視力4.8 以上，無色盲，身體健康且無精神病史。 志愿者完成了機(jī)械臂模擬操作培訓(xùn)，正式實驗前需自主操作訓(xùn)練5 次以上，且最后2 次均能對接成功。

2.2 機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)平臺

機(jī)械臂仿真實驗平臺基于空間站基本構(gòu)型和布局進(jìn)行仿真設(shè)計，包括3 艙、1 個節(jié)點艙、1 個機(jī)械臂，設(shè)置1 個靶標(biāo)。 實驗任務(wù)為控制機(jī)械臂對接靶標(biāo)。 共設(shè)置機(jī)械臂末端攝像頭、艙體攝像頭、機(jī)械臂關(guān)節(jié)攝像頭、空間站全局仿真界面4 個攝像頭場景輔助操作，操作過程中實時顯示機(jī)械臂各個關(guān)節(jié)的角度信息。

為確保各初始狀態(tài)相同難度水平，初始條件設(shè)置滿足以下要求:機(jī)械臂初始狀態(tài)各關(guān)節(jié)距限制角度不少于90°，機(jī)械臂末端距離目標(biāo)3 ～4 m以內(nèi)，姿態(tài)偏差90°以內(nèi)，且末端攝像頭的顯示界面能清晰地看到目標(biāo)對接機(jī)構(gòu)。 對接成功條件為各維度位置偏差小于0.01 m，各維度姿態(tài)偏差小于1°。

2.3 基本認(rèn)知能力測試平臺

基本認(rèn)知能力包括距離知覺、方向知覺、速度知覺、注意分配、持續(xù)注意、心理旋轉(zhuǎn)、視角轉(zhuǎn)換、空間記憶、工作記憶、視覺追蹤等10 項。 采用尺寸圖形感知偏差測試距離知覺；采用遮蔽運動范式測試方向知覺；自主開發(fā)的視覺雙任務(wù)注意分配能力測試任務(wù)測試注意分配能力；CPT(Continuous Performance Task)范式測試持續(xù)注意能力；S-M 測試范式(Shepard 和Metzler，1971)測試心理 旋 轉(zhuǎn) 能 力； PSVV ( the Purdue Spatial Visualizations Test:Visualization of Views)范式測試視角轉(zhuǎn)換能力；分別采用空間3-BACK 和字母2-BACK 范式測試空間記憶和工作記憶；采用多目標(biāo)視覺追蹤實驗范式測試視覺追蹤。

2.4 操作能力測試平臺

采用中國航天員科研訓(xùn)練中心開發(fā)的用于測試包括航天員在內(nèi)的操作員手柄精細(xì)操作能力的軟件，該軟件基于C＋＋程序開發(fā)，經(jīng)檢驗已證明其各模塊具有良好的信效度。 主要包括定向控制、定點控制、速度控制、方向控制、綜合控制、手柄操作準(zhǔn)確性、手柄操作穩(wěn)定性、雙手協(xié)調(diào)控制等8 項操作能力測試。

2.5 實驗任務(wù)

本文考察機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)，分為相對位姿粗調(diào)階段及最后精細(xì)操作階段。 相對位姿粗調(diào)階段主要調(diào)整機(jī)械臂相對目標(biāo)的位置與姿態(tài)，使機(jī)械臂達(dá)到目標(biāo)附近，且與目標(biāo)基本對準(zhǔn)，即下文的機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)的前期階段(末端各維度距離偏差大于0.3 m，或姿態(tài)偏差大于3°的階段)；精細(xì)操作階段主要依靠末端攝像頭對機(jī)械臂進(jìn)行微調(diào)，完成精細(xì)對接任務(wù)，即下文的機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)的最后精細(xì)對接階段(末端各維度距離偏差小于0.3 m，且姿態(tài)偏差小于3°的階段)。

實驗分為2 個階段:①通過能力測試平臺對志愿者進(jìn)行基本認(rèn)知能力測試及操作能力測試；②開展機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)實驗。 對接實驗共有6 試次，每試次均不限時間，志愿者自行判斷是否達(dá)到對接成功條件，并自行結(jié)束該試次任務(wù)，實驗場景如圖1 所示。

圖1 機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)實驗Fig.1 Experiment of MFD tasks

2.6 研究指標(biāo)

采集數(shù)據(jù)包括基本認(rèn)知能力測試數(shù)據(jù)、操作能力測試數(shù)據(jù)、機(jī)械臂績效及人誤數(shù)據(jù)。

1)基本認(rèn)知能力測試數(shù)據(jù)。 基本認(rèn)知能力測試的類型及指標(biāo)包括距離知覺(知覺偏差)、方向知覺(知覺偏差)、速度知覺(知覺偏差率)、注意分配(Q 值)、持續(xù)注意(反應(yīng)時)、心理旋轉(zhuǎn)(正確率)、視角轉(zhuǎn)換(正確率)、空間記憶(正確率)、工作記憶(正確率)、視覺追蹤(正確率)。

2)操作能力測試數(shù)據(jù)。 基于操作能力測試平臺采集包括定向控制、定點控制、速度控制、方向控制、綜合控制、手柄操作準(zhǔn)確性、手柄操作穩(wěn)定性、雙手協(xié)調(diào)控制8 項操作能力數(shù)據(jù)。

3)機(jī)械臂績效及人誤數(shù)據(jù)。 針對航天員在軌進(jìn)行機(jī)械臂作業(yè)，本文根據(jù)NASA 通用機(jī)器人訓(xùn)練技能評估標(biāo)準(zhǔn)及國內(nèi)空間站機(jī)械臂遙操作任務(wù)指標(biāo)研究，結(jié)合精細(xì)操作任務(wù)特性采集了11 項指標(biāo)，如表1 所示。

表1 機(jī)械臂績效及人誤指標(biāo)Table 1 Performance and human error indicators of MFD tasks

2.7 統(tǒng)計分析

采用SPSS 22.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson 線性相關(guān)分析，研究各項基本認(rèn)知能力及操作能力與機(jī)械臂操作績效及人誤指標(biāo)之間的相關(guān)性。 分別分析志愿者10 項基本認(rèn)知能力與機(jī)械臂任務(wù)績效及人誤指標(biāo)的相關(guān)性，以及8 項操作能力與機(jī)械臂任務(wù)績效及人誤指標(biāo)的相關(guān)性，最后分階段和指標(biāo)類型梳理出與機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)績效及人誤顯著相關(guān)的基本認(rèn)知能力與操作能力。＜0.05 認(rèn)為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

3 結(jié)果

3.1 基本認(rèn)知能力

基本認(rèn)知能力與機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)績效及人誤相關(guān)分析結(jié)果如表2 所示。 從表2 可知:械臂精細(xì)對接任務(wù)前期階段的操作與方向知覺顯著相關(guān)，主要反映在機(jī)械臂本體碰撞次數(shù)與手柄往復(fù)操作指標(biāo)上。 精細(xì)對接階段的操作主要與距離知覺、方向知覺、速度知覺、注意分配、持續(xù)注意、心理旋轉(zhuǎn)、視角轉(zhuǎn)換、空間記憶、視覺追蹤能力相關(guān)。 特別的，對于精細(xì)階段較重要的對接偏差、成功率、碰撞次數(shù)等指標(biāo)，距離知覺、方向知覺、速度知覺、持續(xù)注意、心理旋轉(zhuǎn)、空間記憶、視覺追蹤等能力作用較突出。

表2 基本認(rèn)知能力與機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)績效及人誤相關(guān)系數(shù)(n＝20)Table 2 Correlation coefficient between basic cognitive ability test performance and MFD performance and human error (n＝20)

3.2 操作能力

操作能力與機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)績效及人誤相關(guān)分析結(jié)果見表3。 從表3 可知，前期階段的操作主要與雙手協(xié)調(diào)性相關(guān)，精細(xì)對接階段的操作主要與定向控制、定點控制、速度控制、綜合控制等能力以及手柄操作的準(zhǔn)確性相關(guān)。 其中，雙手協(xié)調(diào)控制能力與機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)前期階段的人誤有關(guān)，主要反映在機(jī)械臂本體碰撞次數(shù)上；定向控制、速度控制、綜合控制能力及手柄操作的準(zhǔn)確性與精細(xì)操作階段的操作效率有關(guān)，主要反映在精細(xì)階段的操作時間績效、多余距離操作、多余位姿操作、角度偏差等指標(biāo)上；定向控制、定點控制、速度控制和綜合控制能力與精細(xì)操作階段的操作人誤有關(guān)，主要反映在精細(xì)階段與對接機(jī)構(gòu)的碰撞次數(shù)指標(biāo)上。

表3 操作能力與機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)績效及人誤相關(guān)系數(shù)(n＝20)Table 3 Correlation coefficient between operation ability test performance and MFD performance and human error (n＝20)

根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果，梳理與機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)不同階段緊密相關(guān)的認(rèn)知類指標(biāo)如表4 所示，操作類指標(biāo)如表5 所示。

表4 與機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)緊密相關(guān)的認(rèn)知能力指標(biāo)Table 4 Cognitive indicators closely related to the performance and human error of MFD tasks

表5 與機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)績效及人誤緊密相關(guān)的操作能力指標(biāo)Table 5 Cognitive indicators closely related to the performance and human error of MFD tasks

4 討論

本文研究結(jié)果表明，機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)前期階段績效主要與方向知覺及雙手協(xié)調(diào)控制能力相關(guān)；最后精細(xì)操作階段績效主要與距離知覺、方向知覺、速度知覺、持續(xù)注意、注意分配、心理旋轉(zhuǎn)、空間記憶、視角轉(zhuǎn)換、視覺追蹤、定向控制、定點控制、速度控制、綜合控制等能力及手柄操作準(zhǔn)確性相關(guān)。 不同能力對機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)2 個階段的各項績效及人誤指標(biāo)影響情況存在差異。

1)任務(wù)前期的操作效率。 任務(wù)前期，對機(jī)械臂任務(wù)場景信息的接收、目標(biāo)方位的感知直接影響后續(xù)操作路徑的規(guī)劃，故較高的方向感知水平是提高前期任務(wù)操作績效的前提。

2)任務(wù)前期的操作人誤。 對機(jī)械臂運動方向、機(jī)械臂自身與周圍設(shè)施環(huán)境相對方位的感知，有助于及時預(yù)判機(jī)械臂運動到達(dá)位置、提前監(jiān)測機(jī)械臂本體的碰撞風(fēng)險，從而減少人誤。 雙手協(xié)調(diào)控制主要體現(xiàn)在對位置和姿態(tài)的協(xié)調(diào)控制，機(jī)械臂運行過程中各關(guān)節(jié)角度會發(fā)生較大的變化，容易發(fā)生本體碰撞，通過對位置和姿態(tài)的協(xié)調(diào)控制可以較好避免由于位置變化引起的機(jī)械臂本體碰撞，減少人誤和事故。

3)精細(xì)操作階段的操作效率。 在精細(xì)操作階段，3 個維度位置和3 個維度姿態(tài)信息的獲取和整合以及手柄的操作對注意資源的需求較高，相對較高的注意分配能力有助于獲取和整合各項信息，從而提高手柄操作效率，減少多余操作。此外，較高的心理旋轉(zhuǎn)能力及視角轉(zhuǎn)換能力有助于對相對姿態(tài)的快速判斷，從而提高操作效率。較強的空間記憶能力有助于志愿者回憶對接目標(biāo)的場景，對最后階段的視覺信息進(jìn)行回憶匹配，減少操作時長和多余操作。 方向知覺能力較強的操作者能更精準(zhǔn)地定位機(jī)械臂的運動路徑，減少位姿的重復(fù)調(diào)整。 速度知覺是人的視覺感知和時間感知結(jié)合后產(chǎn)生的感覺，較強的速度知覺能力有助于志愿者在進(jìn)行機(jī)械臂任務(wù)操作時，更好地覺察到當(dāng)下操作對應(yīng)機(jī)械臂的速度變化，并基于速度判斷進(jìn)行手柄調(diào)整，提高對接精度。 持續(xù)注意能力考察志愿者對一個目標(biāo)長時間注意的能力，精細(xì)操作階段的機(jī)械臂任務(wù)需要志愿者對機(jī)械臂與目標(biāo)的姿態(tài)偏差和位置偏差進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)控，故較高的持續(xù)注意能力有助于提高對接精度。 定向控制能力考察志愿者能否快速、安全的按照指定路徑進(jìn)行操控，較高的定向控制能力有助于精細(xì)操作階段操作效率的提升。 速度控制能力主要考察志愿者對手柄操作量的精細(xì)控制，速度控制能力強的人能更好地控制手柄操作量，減少冗余操作。 綜合控制能力反映運動預(yù)判、注意分配、連續(xù)操作等綜合調(diào)控能力。 綜合控制能力越強，志愿者就能更準(zhǔn)確地預(yù)判機(jī)械臂在手柄操作下的運動路線，能更精準(zhǔn)地控制手柄完成對接任務(wù)，從而縮短精細(xì)階段操作時長、減少多余距離調(diào)整，提高對接精度。 手柄操作準(zhǔn)確性考察志愿者操控目標(biāo)運動方向使其快速到達(dá)指定位置的能力，操作準(zhǔn)確性越高的人，在調(diào)整機(jī)械臂的姿態(tài)過程中能更準(zhǔn)確地通過操作手柄進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，較少出現(xiàn)過度移動的情況。

4)精細(xì)操作階段的操作人誤。 精細(xì)操作階段的人誤主要體現(xiàn)在機(jī)械臂與對接機(jī)構(gòu)的碰撞次數(shù)，機(jī)械臂與對接機(jī)構(gòu)的碰撞有2 個主要原因:

一是相對距離的判斷出現(xiàn)偏差，主要體現(xiàn)在距離知覺、心理旋轉(zhuǎn)、持續(xù)注意、空間記憶、視覺追蹤等能力上。 距離知覺水平越高，對相對位置的判斷越準(zhǔn)確，出現(xiàn)與對接機(jī)構(gòu)的碰撞問題就越少。較強的心理旋轉(zhuǎn)能力也有助于判斷機(jī)械臂與目標(biāo)之間的相對位姿，減少人誤。 在對接過程中，志愿者需要持續(xù)注意機(jī)械臂與目標(biāo)的相對姿態(tài)及距離偏差并進(jìn)行調(diào)整，所以持續(xù)注意能力越強的人對距離也有更強的監(jiān)控，出現(xiàn)的碰撞失誤越少。空間記憶能力越強的人在操作的過程中也更能提前預(yù)知手柄操作帶來的機(jī)械臂形態(tài)變化，更好地預(yù)防由于前進(jìn)過多所導(dǎo)致的碰撞。 視覺追蹤能力是指協(xié)調(diào)眼動跟蹤和追蹤物體的能力，視覺追蹤能力越強的人，在精細(xì)操作階段能更緊密地追蹤自己的目標(biāo)，而視覺是其他幾項感知覺的基礎(chǔ)，視覺追蹤能力越強的人能更快速地察覺到機(jī)械臂形態(tài)的變化，感知風(fēng)險，減少人誤。

二是操作出現(xiàn)偏差主要體現(xiàn)在定向控制、定點控制、速度控制和綜合控制能力上。 定向控制能力和定點控制能力越強，越能操控機(jī)械臂快速、安全地到達(dá)對接目標(biāo)處，減少由于手柄操作方向控制不穩(wěn)而導(dǎo)致的與對接機(jī)構(gòu)的碰撞；速度控制能力越強的人越能控制好手柄操作量，減少人誤；綜合控制能力較強的人更能及時地運動預(yù)判，有利于躲避障礙物、避免碰撞。

5)任務(wù)總體的成功率指標(biāo)。 方向知覺更有助于精準(zhǔn)定位兩者之間的相對位姿關(guān)系，有助于志愿者在機(jī)械臂任務(wù)中對位姿偏差做出良好的識別，更準(zhǔn)確地判斷是否恰好完成對接任務(wù)，這將在很大程度上決定任務(wù)成功與否。

通過以上分析可知，感知覺、注意和心理旋轉(zhuǎn)能力這3 項基本認(rèn)知能力的變化對機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)有較為明顯的影響作用，而這三項能力在空間飛行過程也是容易受到在軌失重、密閉以及長期繁重任務(wù)等因素的影響，導(dǎo)致能力的下降，因此，加強對這3 類認(rèn)知能力的監(jiān)測、訓(xùn)練和干預(yù)對在軌機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)有關(guān)鍵意義。

此外，本文選取的樣本量較小，今后可進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量開展研究。 建議針對基本認(rèn)知及操作能力構(gòu)建相應(yīng)的機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)績效及人誤預(yù)測模型，這對于航天員選拔訓(xùn)練、在軌認(rèn)知監(jiān)測及任務(wù)安排等均有一定意義。

5 結(jié)論

本文從基本認(rèn)知能力及操作能力角度探究了機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)績效及人誤的影響因素，包括10 項基本認(rèn)知能力及8 項操作能力。 著重分析了每項影響因子與機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)績效及人誤指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系。 結(jié)論如下:

1)距離知覺、方向知覺、速度知覺、注意分配、持續(xù)注意、心理旋轉(zhuǎn)、視角轉(zhuǎn)換、空間記憶和視覺追蹤等9 項基本認(rèn)知能力會顯著影響機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)的績效及人誤指標(biāo)；

2)定向控制、定點控制、速度控制、方向控制、綜合控制、手柄操作準(zhǔn)確性和雙手協(xié)調(diào)控制等7 項操作能力會顯著影響機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)的績效及人誤指標(biāo)。

3)在選拔和訓(xùn)練機(jī)械臂精細(xì)對接任務(wù)的航天員乘組時，可對以上影響因素予以關(guān)注。