影響機械臂遙操作的認知功能分析

唐偉財,陳善廣,2*,肖 毅

(1.中國航天員科研訓練中心人因工程國防科技重點實驗室,北京100094；2.中國載人航天工程辦公室,北京100720)

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影響機械臂遙操作的認知功能分析

唐偉財1,陳善廣1,2*,肖 毅1

(1.中國航天員科研訓練中心人因工程國防科技重點實驗室,北京100094；2.中國載人航天工程辦公室,北京100720)

摘要：研究遙操作過程涉及到的認知行為，識別影響遙操作任務(wù)績效的認知功能，有助于建立空間遙操作的人因可靠性分析體系，并保障在軌遙操作任務(wù)順利完成。結(jié)合國內(nèi)外研究，著重分析遙操作與情境意識、空間轉(zhuǎn)換、感知覺三者之間的關(guān)系，并結(jié)合具體遙操作任務(wù)剖析各項認知功能在操作過程各個階段的影響作用；針對情境意識、空間轉(zhuǎn)換、感知覺等認知功能對NASA的機械臂遙操作訓練指標進行分類梳理；最后提出了未來從認知層面開展空間遙操作研究時應(yīng)該注意的問題，并從視覺信息呈現(xiàn)、認知功能變化和人為失誤預測等方向?qū)ξ磥磉b操作研究進行展望。

關(guān)鍵詞：遙操作；認知功能；感知覺；空間轉(zhuǎn)換；情景意識

1 引言

國外針對影響機器人遙操作績效的認知功能(環(huán)節(jié))展開了大量研究,其中,MIT的研究是代表。MIT的MVL(Man Vehicle Laboratory)實驗室在2007年開始對機械臂遙操作進行研究［1］,重點是研究遙操作過程中不同認知功能對操作的影響,其中包括開展探究空間能力對遙操作績效影響的Menchaca-Brandan實驗［2］,并嘗試用空間能力測試結(jié)果評價遙操作績效,以期用于航天員選拔和訓練。目前MVL實驗室主要關(guān)注遙操作過程中疲勞等因素造成的航天員認知功能變化、對這些變化的監(jiān)控測試的有效性以及相應(yīng)的緩解措施(咖啡因、藍光等)的有效性驗證［3］。

目前我國關(guān)于機械臂遙操作的研究主要停留在硬件技術(shù)發(fā)展和軟件技術(shù)完善階段,對于機械臂遙操作過程中的認知環(huán)節(jié)、認知功能、失誤操作、技能績效、評估標準等研究剛起步,相比美國、俄羅斯等國家還有很大的差距。因此,梳理與遙操作相關(guān)的認知功能及其對操作績效產(chǎn)生的影響,分析各項認知功能在遙操作過程中的地位及作用,對今后從認知層面上開展機械臂遙操作研究、深入剖析機械臂遙操作認知過程有重要意義。

2 與遙操作相關(guān)的認知功能分類

人的活動通常分為三個階段：1)感知階段；2)識別判斷、決策階段；3)執(zhí)行操作階段。根據(jù)行為心理學的觀點,可將人的行為模型表示為：SO-R(刺激-機體-反應(yīng))［21］。在機械臂遙操作任務(wù)中,這三個階段認知活動的主要認知功能即視知覺(感知階段)、空間轉(zhuǎn)換能力(判斷決策階段)、操作能力(執(zhí)行操作階段)。除此之外,操作員對環(huán)境信息、操作過程的情景意識水平(包括注意水平)以及對操作規(guī)則的記憶能力與遙操作也是密切相關(guān)。

下面將主要介紹遙操作與操作員的感知覺、空間轉(zhuǎn)換能力、情景意識水平之間的關(guān)系。

2.1 遙操作與感知覺

在實際的遙操作任務(wù)中,對機械臂的空間位置、姿態(tài)、角度的感知能力是影響操作能否順利完成的重要因素,甚至關(guān)乎在軌飛行的安全性問題。信息的正確獲取是操作者安全操作的前提。在空間遙操作中,操作者的主要信息來源是多個攝像頭反饋的視頻信息,信息不僅冗余且存在盲區(qū)［1, 20］,航天員須從多個視頻信息中篩選必要、關(guān)鍵信息并正確感知,這對其熟練程度、感知覺水平都提出了很高的要求。不僅如此,視頻反饋信息中的深度信息缺失問題和遙操作時延問題,對航天員對機械臂所處位置、狀態(tài)的正確感知會造成很大的影響。

深度距離感知,是空間遙操作中影響機械臂能否正確抓取目標、躲避障礙、避免過度對接等安全性問題的關(guān)鍵因素。俄羅斯在1997年發(fā)射的進步M-34飛船與和平號空間站遙對接失敗,發(fā)生嚴重碰撞事故［4］。造成這起事故的原因除了航天員的地面訓練不夠以外,還有一個主要原因即航天員通過攝像頭拍下的信息進行對接操作,同空間機械臂遙操作一樣,視頻反饋信息缺少深度方面的立體信息,使得和平號上航天員對于深度維度的相對距離的判斷和相對速度的判斷出現(xiàn)了嚴重的失誤。M.Alejandra設(shè)計的仿真平臺實驗也存在兩種對接失敗的情形(位置偏差過大和姿態(tài)偏差過大)［5］,其主要的原因就是對目標和負載的相對位置、相對角度以及相對距離的感知不夠準確。

遙操作過程的時延使得操作員在操作時對機械臂信息的感知存在明顯的滯后,且無法實時獲取到周圍環(huán)境信息的變化,增加操作員對信息感知的難度,同時也增加操作員的感知負荷［22］。

2.2 遙操作與空間轉(zhuǎn)換

空間轉(zhuǎn)換在遙操作中主要用于對機械臂與目標相對的位置、姿態(tài)進行判斷,并決定以何種方式調(diào)節(jié)機械臂,對操作者的判斷決策環(huán)節(jié)有直接的影響?？臻g轉(zhuǎn)換能力包括對視覺信息的想象和視覺轉(zhuǎn)換［6］等。與航天員執(zhí)行遙操作任務(wù)密切相關(guān)的主要有觀點采擇(即空間定向)、心理旋轉(zhuǎn)和視圖空間可視化能力?？臻g定向能力強調(diào)從不同的角度觀察物體時想象物體狀態(tài)的能力,以及對視覺刺激圖形各元素排列關(guān)系的理解能力,需要對自我中心的坐標系進行轉(zhuǎn)換；而心理旋轉(zhuǎn)能力強調(diào)在同一個坐標系內(nèi)進行觀察,并從意識上對對象進行操縱、轉(zhuǎn)換的能力；視圖空間可視化能力強調(diào)從各個角度對空間模型的認知理解,偏向于空間定向能力。

機械臂遙操作與空間轉(zhuǎn)換能力的關(guān)系已成為國外的研究熱點。Kozhenikov和Hegarty兩位科學家通過觀點采擇實驗(Perspective-TakingAbility,PTA)發(fā)現(xiàn),雖然心理旋轉(zhuǎn)和空間定向這兩種空間能力相關(guān)性很大,但是作為兩種不同的認知策略,這兩種空間能力是可分離的,他們通過傳統(tǒng)紙筆測試測量被試的空間定向能力時發(fā)現(xiàn),目標的旋轉(zhuǎn)角度超過90度時,被試傾向于使用空間定向(換位思考)的策略,即想象自己保持和目標一樣的視角；而當旋轉(zhuǎn)角度小于90度時,被試更傾向于使用心理旋轉(zhuǎn)的方法進行決策［7］。M.Alejandra等人認為在遙操作中,心理旋轉(zhuǎn)能力多用于從單個視角對機械臂或載荷的運動狀態(tài)進行理解,而空間定向(換位思考)能力用于將多個視點進行整合成為一點,并從全局上對機械臂定位和進行信息獲?。?］。研究發(fā)現(xiàn)［5］心理旋轉(zhuǎn)能力越強,則機械臂遙操作所用時間越短；而空間定向能力越強,所用時間越長。原因在于采用心理旋轉(zhuǎn)策略操作時,被試是以自我為中心的坐標系進行旋轉(zhuǎn),能較快的對物體進行定位并直接輸入控制操作；而采用空間定向策略時,被試需要將自己想象與機械臂一個視角,再對物體進行定向,經(jīng)過坐標系轉(zhuǎn)換后才能進行控制,時間較長。

在遙操作過程中,相比世界坐標系(以外部視角為中心),操作者更傾向于以自我為中心的坐標系進行操作,并且操作績效有顯著提高。此外,各個攝像頭反饋的視頻信息之間轉(zhuǎn)換的角度過大(參考坐標系夾角過大),或者與機械臂末端視頻之間的偏轉(zhuǎn)角度過大,會對操作績效產(chǎn)生負面的影響［5］。這說明,操作者在空間遙操作過程中受到空間定向和心理旋轉(zhuǎn)負荷的影響較大。

M.Alejandra［5］等人通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)為空間站設(shè)計開發(fā)了一個模擬對接任務(wù)仿真平臺(如圖1所示),用于測試航天員在遙操作過程中的績效和他們的空間定向能力(Perspective-Takingtest)、空間視覺化能力(PurdueSpatialVisualizationofViewstest, PSVV)和心理旋轉(zhuǎn)能力(Cube-Comparisons,CC)之間的關(guān)聯(lián)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)心理旋轉(zhuǎn)和空間知覺定向(換位思考)是航天員在遙操作過程中頻繁使用的策略,兩種空間能力與操作績效有很強的正相關(guān)關(guān)系。下圖所示是遙操作對接任務(wù)的三維仿真平臺。

圖1 模擬對接任務(wù)仿真平臺［5］Fig.1 Simulated docking simulation platform［5］

心理旋轉(zhuǎn)測試和空間定向能力測試又有二維測試和三維測試之分。而實際的遙操作任務(wù),一般都是在一個三維立體的環(huán)境下進行操作,況且人在現(xiàn)實生活中對二維圖像的認知非常熟悉,已經(jīng)形成了自身的一套認知模式,所以二維的空間能力測試往往和實際的遙操作績效沒有顯著性的關(guān)聯(lián)。而且,被試在進行二維的空間定向能力測試時,更多使用的是心理旋轉(zhuǎn)的策略,經(jīng)常無法達到空間定向的測試效果。因此,往往使用三維空間定向測試范式或用空間視覺化測試范式(圖2)［8］代替三維空間定向能力測試對操作者進行測試。

圖2 PSVV測試范式［8］Fig.2 PSVV test paradigm［8］

Eyal和Tendick等人通過用旋轉(zhuǎn)卡片實驗、折紙實驗以及PTA實驗測量被試者的空間能力和腹腔鏡遙操作的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)這三個測試的結(jié)果和遙操作的績效密切相關(guān)［5］。Lathan和Tracey等人通過遙操作機器人走迷宮實驗也得到同樣的結(jié)果,他們認為,空間感好的操作者能夠更好的規(guī)劃遙操作路徑,從而具有更高的操作績效水平［9］。

有研究發(fā)現(xiàn),空間能力的不足可以通過其他條件的補充得以平衡。Lathan和Tracey等人通過實驗發(fā)現(xiàn),在操作者操作過程中加入觸覺反饋,相比單純的視覺反饋,空間能力水平高的操作者和水平低的操作者的績效差距顯著降低［9］。因此,研究遙操作各個影響因素之間的耦合關(guān)系,對于尋找提高遙操作空間技能的方法也有一定的指導作用。

2.3 遙操作與情境意識

目前,應(yīng)用最為廣泛的情境意識理論是Endsley的三水平模型［10］,即操作者對于系統(tǒng)當前狀態(tài)的感知、理解和未來狀態(tài)的預測能力、情境意識受到操作者知識結(jié)構(gòu)水平、認知能力、操作經(jīng)驗以及當前所處客觀任務(wù)環(huán)境等多方面因素的影響,而與情境意識密切相關(guān)的腦力負荷和注意分配能力也是空間遙操作的重要影響因素［11］。Young 與Stanton認為,腦力負荷反映了操作者為了滿足一定的客觀和主觀績效標準而付出的注意力資源的大小,與任務(wù)需求、外部條件和個體經(jīng)驗有關(guān),任務(wù)復雜度、精度要求、時間壓力以及個人的操作策略、操作狀態(tài)和努力程度等也會對腦力負荷產(chǎn)生影響［13］。對腦力負荷的評價是高風險高復雜系統(tǒng)中的研究重點。而注意資源分配也是完成復雜任務(wù)的重要因素,其指在同一時間內(nèi),將注意力分配到兩種或兩種以上的刺激或不同的活動中。注意分配水平越高,對環(huán)境的認知能力越強,相應(yīng)的情景意識水平越高。

遙操作人機交互系統(tǒng)主要的交互行為有遠程感知(remoteperception)和遠程操作(remotemanipulation)兩方面［15］。而遠程感知除了包括人的基本信息感知能力(速度知覺、距離知覺等)以外,還包括對遠程環(huán)境、遠程操作狀態(tài)的情境意識水平,情景意識既包括對當前狀態(tài)的認識,也包括對未來狀態(tài)的預測,是遙操作過程中一種必不可少的認知功能。

在復雜動態(tài)環(huán)境中,人們的決策活動高度依賴于情境意識和注意分配能力。Jennifer M.Riley等人通過對情境意識和注意分配能力的測量,對模擬排雷遙操作中不同任務(wù)難度的沉浸感進行了量化分析,實驗發(fā)現(xiàn)遙操作任務(wù)的難度和操作者的注意分配能力兩者對操作過程的沉浸感產(chǎn)生了顯著性影響［17］。Draper在1998年指出：情境意識和注意分配對遙操作過程的沉浸感有很大影響,當操作者分配更多的資源在操作任務(wù)上時,他對操作環(huán)境的認知會更好,沉浸感會更好,操作績效也相對更好［17］。而任務(wù)難度在一定程度上會影響操作者的情境意識水平和注意資源分配,從而影響操作的沉浸感［17］。

腦力負荷也是影響空間遙操作績效的重要因素。有很多研究發(fā)現(xiàn),由于任務(wù)難度增加造成的腦力負荷增加對遙操作的沉浸感有顯著性的影響［17］。Draper認為腦力負荷的增加可能增加操作者在操作過程中的迷惑感和時間壓力感,導致嘗試性的、無效的操作行為增多,影響操作效率,進而又反過來增加了腦力負荷［17］。

David B.Kaber等人研究發(fā)現(xiàn),時延會導致操作者的腦力負荷增加。一方面原因是時延使得任務(wù)完成的時間增加,加重操作員的體力負荷和時間壓力［23］；另一方面操作過程中的時延使得操作者的工作記憶負荷加重,需要對當前的狀態(tài)、操作行為以及原計劃即將采取的操作行為進行記憶［18］。除此之外,針對不同的機械臂控制模式,關(guān)節(jié)控制方式相比末端控制,操作者需要將每個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為末端的姿態(tài)和平移的變化,腦力負荷更高。而即使采用末端控制方式,由于操作過程需要觀察多個攝像頭信息,每個運動攝像頭獲取到的信息的坐標系不同,操作者在對多個視頻信息進行整合時,同樣需要很強的坐標變換能力、空間轉(zhuǎn)換能力,以及大腦的三維空間重構(gòu)能力。操作任務(wù)的時間限制,也對操作者的腦力負載能力提出了很高的要求。

3 各認知功能在空間機械臂遙操作任務(wù)中的作用

3.1 認知任務(wù)分析

根據(jù)上述對國內(nèi)外機械臂遙操作任務(wù)過程中相關(guān)的認知功能的研究結(jié)果的梳理,結(jié)合典型的機械臂遙操作任務(wù)(對接或抓取任務(wù)),將遙操作任務(wù)分為三個階段,分別對不同的階段進行認知任務(wù)分析(結(jié)果見表1),然后再剖析各個相關(guān)的認知功能在遙操作任務(wù)中的作用。

3.2 遙操作過程各認知功能分析

3.2.1 視知覺功能

視覺信息是機械臂遙操作的重要信息來源。對環(huán)境、位置、姿態(tài)等信息的感知對于操作前路徑的規(guī)劃有重要意義；而對目標大小、方位、距離、角度偏差等信息的感知對于能否順利完成遙操作任務(wù)起了關(guān)鍵的作用。視知覺在遙操作過程中的主要功能如下：

1)在初始階段,用于對機械臂和目標之間相對位置的判斷；

2)在中間階段,除了用于判斷機械臂和目標之間相對位置,還用于對機械臂和障礙相對距離的判斷；

3)在后期階段,用于判斷機械臂與目標姿態(tài)、位置的偏差,判斷是否能夠準確抓取目標或安全無碰撞的對接目標。

3.2.2 空間能力

在初始階段和任務(wù)中期,空間能力對于操作者能否按照計劃路徑接近目標、尋找目標起著關(guān)鍵的作用,關(guān)系到操作者能否對視覺信息正確理解、判斷,以及能否進行正確的手柄操作。

3.2.3 記憶功能

1)在最初的一段時間,操作者對手柄操作規(guī)則(極性)的長時記憶(或短時記憶),能夠減少手柄嘗試性操作的次數(shù)和時間；

2)之后在實際的操作任務(wù)中,以工作記憶為主導,良好的工作記憶能力能對手柄操作的熟練程度有積極的影響作用。

表1 典型遙操作任務(wù)分析Table 1 Typical teleoperation task analysis

3.2.4 情境意識以及注意能力

在遙操作過程中,情境意識尤為重要。操作者在整個操作過程對環(huán)境的認知、操作狀態(tài)的認知以及對機械臂狀態(tài)變化的認知和預測都屬于情境意識范疇,是貫穿機械臂遙操作任務(wù)始末重要的認知功能［17］。其中注意能力是情境意識中的一項重要內(nèi)容,在遙操作過程中的主要功能如下：

1)注意分配能力貫穿整個過程(包括對多個攝像頭信息的注意分配以及對單視頻中各項信息的注意分配),在操作后期階段持續(xù)注意能力對操作績效也有很重要的影響；

2)在初始階段,注意主要集中于對手柄操作極性的認知；

3)在中間階段,注意主要集中在機械臂與目標相對位置的變化、機械臂的運動路徑等信息；

4)在后期階段,注意主要集中于機械臂末端與目標的相對位置、姿態(tài),以此來判斷是否能夠安全(無碰撞)完成任務(wù)。

3.2.5 操作能力

操作能力的體現(xiàn)主要是在逐漸熟悉手柄極性之后,包括操作機械臂按照預定路徑行走的能力以及在后期對機械臂的微調(diào)節(jié)能力,盡少地避免往復操作。又可分為單手的多極性操作能力、雙手的協(xié)調(diào)操作能力以及精細操作控制能力三部分。

4 遙操作的認知訓練

航天員的認知能力不僅關(guān)乎在軌飛行任務(wù)的順利完成,同時也是影響航天器以及航天員自身安全的重要因素。NASA于2008年開始建立人的行為和績效資質(zhì)要求,用于選拔和評估空間站乘組,包括對集中力、記憶、感知、想象力和思考力等認知能力的要求［19］。

無論是遙操作訓練還是實際的任務(wù),操作策略的選擇、操作績效的好壞,都是建立在操作者獨自的認知功能水平上的。因此針對不同認知功能對遙操作的影響,NASA制定了相應(yīng)的訓練指標,并對航天員進行訓練和測試。NASA航天員針對遙操作的訓練主要使用的是BORIS(Basic Operational Robotics Instructional System)和MRMDF (Multi-Use Remote Manipulator Development Facility)兩套機械臂系統(tǒng)［1］。每個人的訓練過程都有航天教練員根據(jù)操作中的各個方面(指標)進行評估,其中包括空間(視空間)知覺(合適的攝像機選?。?0］、追蹤時間、總距離、最終位置等)、情境意識以及對輸入量的控制等方面。針對每個航天員的不足,有針對性的開展模擬訓練［6］。

目前NASA航天員主要在模擬臂上進行GRT (GenericRoboticsTraining)訓練課程(至少13個技能模塊)［1］。具體NASA的GRT項目和評估標準［9］按認知功能的不同可分為感知覺能力訓練(表2)、空間能力訓練(表3)、情景意識水平訓練(表4)。

表2 感知覺能力訓練指標Table 2 Perceptual ability training indicators

表3 空間能力訓練指標Table 3 Spatial ability training indicators

表4 情境意識訓練指標Table 4 Situational awareness training indicators

5 總結(jié)與展望

本文從認知層面上探究了空間遙操作過程的影響因素,主要包括情境意識水平(注意分配能力、腦力負荷水平)、空間轉(zhuǎn)換能力(空間定向、心理旋轉(zhuǎn)、空間視覺化)、感知覺能力(深度知覺、速度知覺、位置感知、姿態(tài)感知等)等。著重分析了每項影響因子與遙操作任務(wù)績效的相關(guān)關(guān)系,以及結(jié)合空間機械臂遙操作典型任務(wù)分析,剖析了遙操作過程中各項認知功能的作用。為將來深入開展認知層面上的空間遙操作研究、建立空間遙操作的人因可靠性分析體系奠定基礎(chǔ)。此外,本文針對上述影響因子對NASA航天員的訓練項目指標進行分類總結(jié),為我國有針對性的開展航天員訓練、合理分配操作任務(wù)提供理論參考。

通過對國外遙操作實驗研究回顧,發(fā)現(xiàn)大多的實驗無論在任務(wù)提取、額外變量控制、被試挑選等方面都存在一些問題：

1)實驗特定任務(wù)和研究的問題(自變量)關(guān)系不緊密；

2)被試數(shù)量不足；

3)沒有很好的控制學習效應(yīng)；

4)認知能力測試范式的選擇考慮不夠周全；

5)在對被試進行情境意識問卷調(diào)查時,對被試的操作連貫性、腦力負荷等產(chǎn)生了很大的影響。

未來的空間遙操作研究應(yīng)該著重于以下幾點：

1)視覺信息呈現(xiàn)對遙操作任務(wù)的影響,包括對情境意識(注意分配、腦力負荷)、空間能力以及感知覺等的影響；

2)空間遙操作任務(wù)過程中,由于任務(wù)難度等級、操作不同階段、環(huán)境改變等客觀因素,情境意識水平、腦力負荷、注意分配等認知功能的變化,以及這些變化對遙操作任務(wù)績效的影響機制；

3)從人因可靠性的角度出發(fā),研究在遙操作過程中出現(xiàn)的人為失誤,分析失誤產(chǎn)生的原因,建立遙操作任務(wù)的人因可靠性分析體系。

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Analysis of Cognitive Function in Robotics Teleoperation

TANG Weicai1，CHEN Shanguang1，2*，XIAO Yi1
（1.China Astronaut Research and Training Center，National Key Laboratory of Human Factors Engineering，Beijing 100094，China；2.China Manned Space Agency，Beijing 100720，China）

Abstract：Identification of the cognitive function and study of the cognitive behaviorin teleoperation are conducive to perform the teleoperation task successfully and set up the human reliability analysis system in space teleoperation.The relationship between situation awareness，space transformation ability，perception and teleoperation process was analyzed according to the previous researches.The influence of various cognitive functions in various stages of operation process was studied based on the specific teleoperation task.NASA training assessment metric was studied and classified according to situation awareness，space transformation ability and perception.Furthermore，some tips about future study of space teleoperation from the cognitive level were proposed and the future study of space teleoperation from visual information representation，cognitive function change and human error prediction was prospected.

Key words：teleoperation；cognitive function；perception；space switching；situation awareness

*通訊作者：陳善廣(1962-),男,博士,研究員,研究方向為航天人因工程。E-mail：shanguang_chen＠126.com

作者簡介：唐偉財(1991-),男,碩士研究生,研究方向為航天人因可靠性。E-mail：jipingacai＠163.com

基金項目：重點實驗室自主課題( HF2011-Z-Z-A-01)；國家自然基金(71201148)；中國航天醫(yī)學工程預先研究項目資助(2012SY54A1705)；國家自然科學基金項目(71371174)

收稿日期：2015-06-23；修回日期：2016-02-05

中圖分類號：V527

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5825（2016）02-0262-07