立體信息不同缺失水平下基本認(rèn)知能力在遙操作任務(wù)中的作用研究

唐偉財(cái)，陳善廣，2?，肖 毅，姜國(guó)華，田志強(qiáng)

（1.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094；2.中國(guó)載人航天工程辦公室，北京100720）

立體信息不同缺失水平下基本認(rèn)知能力在遙操作任務(wù)中的作用研究

唐偉財(cái)1，陳善廣1，2?，肖 毅1，姜國(guó)華1，田志強(qiáng)1

（1.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094；2.中國(guó)載人航天工程辦公室，北京100720）

針對(duì)具體的遙操作任務(wù)中與遙操作相關(guān)的認(rèn)知功能在不同立體信息缺失水平下對(duì)操作績(jī)效、情境意識(shí)水平的影響，對(duì)24名受試者開(kāi)展機(jī)械臂遙操作模擬任務(wù)實(shí)驗(yàn)和6項(xiàng)基本認(rèn)知能力測(cè)試，采用相關(guān)性分析方法分析了各項(xiàng)認(rèn)知能力在遙操作任務(wù)中的作用。試驗(yàn)結(jié)果表明，空間能力、運(yùn)動(dòng)控制能力和持續(xù)注意水平與任務(wù)的完成率以及操作的安全性、高效性緊密相關(guān)；注意分配能力、心理旋轉(zhuǎn)能力在局部立體信息缺失的情境下，對(duì)保持機(jī)械臂遙對(duì)接任務(wù)的各項(xiàng)績(jī)效指標(biāo)的穩(wěn)定、保障任務(wù)的順利完成作用顯著。因此，根據(jù)任務(wù)要求以及航天員自身特點(diǎn)有針對(duì)性地開(kāi)展認(rèn)知能力訓(xùn)練，合理分配在軌任務(wù)，有利于提高訓(xùn)練效果、保障在軌任務(wù)的順利完成。

遙操作；立體信息缺失；認(rèn)知能力；情境意識(shí)；績(jī)效指標(biāo)

1 引言

空間站階段任務(wù)中，出艙活動(dòng)愈加頻繁，采用機(jī)械臂輔助航天員進(jìn)行艙外作業(yè)成為我國(guó)近年研究的重點(diǎn)［1?3］。根據(jù)NASA報(bào)告，航天員進(jìn)行機(jī)械臂遙操作時(shí)，機(jī)械臂末端攝像頭和場(chǎng)景攝像頭獲取的視頻信息是主要的視覺(jué)信息來(lái)源［4］。面對(duì)復(fù)雜多變的太空環(huán)境，這種視頻反饋信息獲取方式一方面缺少直接的深度維度的視覺(jué)信息，增加操作難度的同時(shí)加重航天員的認(rèn)知負(fù)荷［5?6］；另一方面，當(dāng)面臨如攝像頭失效、光照不足等情形時(shí)，操作員為完成任務(wù)僅能依靠有限攝像頭反饋的空間立體信息進(jìn)行對(duì)接操作，降低了操作安全性［7］。

對(duì)機(jī)械臂遙操作進(jìn)行認(rèn)知任務(wù)分析發(fā)現(xiàn)，空間能力、運(yùn)動(dòng)控制能力、工作記憶能力以及注意等基本認(rèn)知功能貫穿整個(gè)遙操作任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程，對(duì)完成機(jī)械臂遙對(duì)接任務(wù)起到了非常重要的作用。國(guó)外針對(duì)影響機(jī)器人遙操作績(jī)效的基本認(rèn)知能力展開(kāi)了大量研究［8?11］。其中，MIT的 MVL（Man Vehicle Laboratory）在2007年開(kāi)始對(duì)機(jī)械臂遙操作進(jìn)行研究，重點(diǎn)研究遙操作過(guò)程中不同認(rèn)知功能對(duì)操作的影響，包括空間能力對(duì)遙操作績(jī)效影響的Menchaca?Brandan實(shí)驗(yàn)，并嘗試用空間能力測(cè)試結(jié)果評(píng)價(jià)遙操作績(jī)效，以期望用于航天員選拔和訓(xùn)練［8?9］。

目前我國(guó)關(guān)于機(jī)械臂遙操作的研究主要集中在硬件技術(shù)發(fā)展和軟件技術(shù)完善階段，對(duì)于機(jī)械臂遙操作過(guò)程中的認(rèn)知環(huán)節(jié)、認(rèn)知功能、失誤操作、技能績(jī)效、評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)等研究剛起步，相比美國(guó)、俄羅斯等還有很大的差距。通過(guò)對(duì)國(guó)外機(jī)械臂遙操作與認(rèn)知能力的相關(guān)研究的梳理以及任務(wù)的分析可推斷，不同認(rèn)知能力在遙操作中起著不同的作用，對(duì)立體信息缺失具有一定的補(bǔ)償效果。因此，結(jié)合傳統(tǒng)攝像機(jī)視頻反饋方式，開(kāi)展與遙操作相關(guān)的基本認(rèn)知能力在不同立體信息缺失水平下對(duì)操作績(jī)效、情境意識(shí)水平的影響作用研究，分析各項(xiàng)認(rèn)知功能在遙操作過(guò)程中的影響作用以及各項(xiàng)認(rèn)知能力對(duì)立體信息缺失的補(bǔ)償作用，對(duì)深入剖析機(jī)械臂遙操作認(rèn)知過(guò)程有重要意義，對(duì)以后航天員訓(xùn)練選拔、在軌任務(wù)分配等方面也有一定意義。

本研究基于機(jī)械臂遙操作模擬仿真平臺(tái)，通過(guò)調(diào)整平臺(tái)上攝像頭的布局構(gòu)建四種不同水平的空間立體信息缺失場(chǎng)景，結(jié)合基本認(rèn)知能力測(cè)試結(jié)果，研究在這些場(chǎng)景下遙操作各項(xiàng)指標(biāo)與基本認(rèn)知能力的關(guān)系。

2 方法

2.1試驗(yàn)任務(wù)及平臺(tái)

試驗(yàn)平臺(tái)包括機(jī)械臂遙操作模擬任務(wù)平臺(tái)和基本認(rèn)知能力測(cè)試平臺(tái)。

模擬任務(wù)平臺(tái)是基于仿真機(jī)器人軟件構(gòu)建的機(jī)械臂模擬對(duì)接任務(wù)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。被試通過(guò)左右手分別控制平移和姿態(tài)手柄（萊仕達(dá)雷霆PXN?2103），操縱機(jī)械臂末端在規(guī)定精度要求以及時(shí)間要求內(nèi)（240 s）以指定姿態(tài)對(duì)接入目標(biāo)對(duì)接結(jié)構(gòu)中。每次試驗(yàn)難度（表現(xiàn)為初始距離和角度偏差）設(shè)置大體均等。

通過(guò)對(duì)遙操作任務(wù)進(jìn)行認(rèn)知任務(wù)分析，提取出對(duì)遙操作過(guò)程影響較大的基本認(rèn)知能力，構(gòu)建試驗(yàn)的基本認(rèn)知能力測(cè)試平臺(tái)，包括注意分配能力、持續(xù)注意能力、工作記憶能力、三維視角轉(zhuǎn)換能力、三維心理旋轉(zhuǎn)能力以及運(yùn)動(dòng)控制能力共6項(xiàng)測(cè)試。工作記憶能力和持續(xù)注意能力分別通過(guò)經(jīng)典的2?BACK范式［12］和 CPT（Continuous Per?formance Task）范式［13?14］測(cè)量得到；三維視角轉(zhuǎn)換能力通過(guò)經(jīng)典的PSVV（the Purdue Spatial Visual?izations Test：Visualization of Views）測(cè)試范式［15］測(cè)量得到，三維心理旋轉(zhuǎn)能力通過(guò)廣泛使用的S?M測(cè)試范式（Shepard和 Metzler，1971）測(cè)量得到［16］；注意分配能力指標(biāo)［17?19］和運(yùn)動(dòng)控制能力指標(biāo)［20?22］采用自主開(kāi)發(fā)的視覺(jué)雙任務(wù)注意分配能力測(cè)試和運(yùn)動(dòng)控制能力測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)量得到。其中，運(yùn)動(dòng)控制能力測(cè)試指標(biāo)值越大，則對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制能力越差，而其他5項(xiàng)基本能力測(cè)試指標(biāo)越大，則代表能力越強(qiáng)。

2.2受試者

本科以上學(xué)歷、年齡在20～35歲之間的男性24人，右利手，雙眼矯正視力4.8以上，無(wú)色盲，身體健康且沒(méi)有任何精神病歷史；為保證被試的同質(zhì)性，被試在培訓(xùn)之前需保證沒(méi)有接觸過(guò)相關(guān)機(jī)械臂模擬操作訓(xùn)練；對(duì)被試進(jìn)行統(tǒng)一的機(jī)械臂模擬操作培訓(xùn)，且正式試驗(yàn)前需自主操作訓(xùn)練達(dá)10次以上。

2.3自變量水平及因變量

本研究通過(guò)采用拉丁方平衡設(shè)計(jì)［23］對(duì)被試試驗(yàn)順序進(jìn)行控制，并結(jié)合充分的訓(xùn)練控制學(xué)習(xí)效應(yīng)的影響。針對(duì)立體信息缺失因素，結(jié)合攝像頭的布局設(shè)置了A、B、C、D共4種水平，包含大全局?jǐn)z像頭、末端攝像頭和局部近景攝像頭3種位置攝像頭如圖1所示。每個(gè)水平下被試進(jìn)行操作試驗(yàn)5次。

1）水平A：立體信息完全缺失

1個(gè)末端攝像頭。

2）水平B：局部立體信息缺失（全局信息補(bǔ)償）

1個(gè)末端攝像頭＋1個(gè)大全局?jǐn)z像頭。

3）水平C：全局立體信息缺失（局部信息補(bǔ)償）

1個(gè)末端攝像頭＋1個(gè)外部近景攝像頭。

4）水平D：立體信息基本完整（全局＋局部信息補(bǔ)償）

1個(gè)末端攝像頭＋1個(gè)大全局?jǐn)z像頭＋1個(gè)外部近景攝像頭。

根據(jù)NASA通用機(jī)器人訓(xùn)練技能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)［8］和航天員中心薛書(shū)騏等人梳理出的11項(xiàng)績(jī)效指標(biāo)，結(jié)合任務(wù)的特性篩選出10項(xiàng)受到信息缺失影響較大的績(jī)效參考指標(biāo)作為試驗(yàn)的因變量，包括有立體信息四種缺失水平條件下的試驗(yàn)任務(wù)對(duì)接成功與否、操作時(shí)間、末端行走的冗余距離、出現(xiàn)的碰撞次數(shù)、到達(dá)關(guān)節(jié)限位位置次數(shù)、機(jī)械臂臨近工作區(qū)域次數(shù)（close次數(shù)）、手柄往復(fù)操作次數(shù)、多軸操作效率、角度偏差、位置偏差等。此外，情境意識(shí)數(shù)據(jù)（10個(gè)維度的SART標(biāo)準(zhǔn)情境意識(shí)調(diào)查問(wèn)卷表獲?。?4］也作為試驗(yàn)因變量的其中一項(xiàng)。

2.4試驗(yàn)流程

試驗(yàn)主要分成三個(gè)部分，第一部分為基本認(rèn)知能力測(cè)試環(huán)節(jié)；第二部分主要對(duì)被試進(jìn)行機(jī)械臂操作技能培訓(xùn)；第三部分為正式的模擬平臺(tái)操作試驗(yàn)。

基本認(rèn)知能力測(cè)試按心理旋轉(zhuǎn)測(cè)試、2?back測(cè)試、注意分配測(cè)試、視角轉(zhuǎn)換測(cè)試、持續(xù)注意測(cè)試、運(yùn)動(dòng)控制能力測(cè)試順序進(jìn)行，避免連續(xù)進(jìn)行同類型測(cè)試帶來(lái)的疲勞影響和情緒波動(dòng)。采集得到6項(xiàng)基本認(rèn)知能力測(cè)試的績(jī)效數(shù)據(jù)。

技能培訓(xùn)環(huán)節(jié)在認(rèn)知測(cè)試結(jié)束后進(jìn)行，主要包括對(duì)被試進(jìn)行機(jī)械臂相關(guān)知識(shí)、試驗(yàn)平臺(tái)、試驗(yàn)任務(wù)、操作方法、注意事項(xiàng)等內(nèi)容的介紹以及被試在平臺(tái)上的實(shí)踐操作，每人操作10次以上。

正式試驗(yàn)在培訓(xùn)后1～3天內(nèi)進(jìn)行，被試在4種不同空間立體信息水平下進(jìn)行試驗(yàn)操作，每種水平操作5次，每種水平試驗(yàn)結(jié)束后填寫(xiě)情境意識(shí)調(diào)查問(wèn)卷。

3 結(jié)果

3.1各項(xiàng)基本認(rèn)知能力之間的相關(guān)分析

分析各項(xiàng)認(rèn)知能力之間的耦合關(guān)系，有利于提高航天員訓(xùn)練的效率。各項(xiàng)認(rèn)知測(cè)試指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果表明：空間能力測(cè)試與運(yùn)動(dòng)控制指標(biāo)具有很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，其中運(yùn)動(dòng)控制指標(biāo)與心理旋轉(zhuǎn)能力的相關(guān)性r值為－0.610（p＜0.01），與視角轉(zhuǎn)換能力的相關(guān)性 r值為 －0.471（p＜0.05），即空間能力越強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)控制能力越強(qiáng)。

3.2認(rèn)知能力與績(jī)效的關(guān)聯(lián)分析

找出與各項(xiàng)績(jī)效相關(guān)的認(rèn)知能力，為針對(duì)不同在軌任務(wù)要求選拔航天員，以及有針對(duì)性地對(duì)航天員進(jìn)行認(rèn)知能力訓(xùn)練，提高訓(xùn)練效率，保障在軌任務(wù)的安全完成有很重要的意義。

1）視角轉(zhuǎn)換（PSVV）能力與對(duì)接績(jī)效的關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果如表1所示。

其中，A、B、C、D代表立體信息4種水平，綜合指4種水平的平均結(jié)果與基本認(rèn)知能力的相關(guān)關(guān)系。綜合來(lái)看，視角轉(zhuǎn)換能力和遙對(duì)接過(guò)程中的碰撞次數(shù)呈邊緣顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與對(duì)接成功率呈正相關(guān)關(guān)系，且與關(guān)節(jié)限位次數(shù)、平均對(duì)接時(shí)間、往復(fù)操作、多余行走距離以及角度偏差也有不同程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系。除此之外，相比其他3種立體信息水平，D水平下PSVV測(cè)試與操作績(jī)效表現(xiàn)出非常顯著的相關(guān)關(guān)系。

2）心理旋轉(zhuǎn)（S?M）能力和對(duì)接績(jī)效的關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果如表2所示。

表1 視角轉(zhuǎn)換能力和4水平立體信息下績(jī)效指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果Table 1 Correlation analysis between PSVV test and performance indicators under the 4 information levels

表2 心理旋轉(zhuǎn)能力和4水平立體信息下績(jī)效指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果Table 2 Correlation analysis between mental rotation test and performance indicators under the 4 information levels

從四種水平綜合影響來(lái)看，心理旋轉(zhuǎn)與成功次數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，即心理旋轉(zhuǎn)能力越好，對(duì)接成功率越高，同時(shí)與往復(fù)操作、碰撞次數(shù)、完成時(shí)間、多余行走距離與角度偏差也有不同程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系。而對(duì)于A水平，心理旋轉(zhuǎn)能力與平均對(duì)接時(shí)間以及角度偏差有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3）運(yùn)動(dòng)控制能力指標(biāo)和對(duì)接績(jī)效的關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果如表3所示。

表3 運(yùn)動(dòng)控制能力指標(biāo)和4水平立體信息下績(jī)效指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果Table 3 Correlation analysis between motion control test and performance indicators under the 4 information levels

從綜合水平分析結(jié)果上看，運(yùn)動(dòng)控制能力越好，成功率越高，且運(yùn)動(dòng)控制能力與對(duì)接時(shí)間、錯(cuò)誤操作、角度偏差等都有顯著相關(guān)關(guān)系；除此之外，運(yùn)動(dòng)控制能力與限位操作、多余行走距離、平移位置偏差也有不同程度負(fù)相關(guān)關(guān)系，與多軸操作效率正相關(guān)；在局部立體信息補(bǔ)償后，運(yùn)動(dòng)控制能力與位置偏差和close事故的負(fù)相關(guān)關(guān)系更加顯著。

4）持續(xù)注意（CPT）能力和對(duì)接績(jī)效的關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果如表4所示。

表4 持續(xù)注意能力和4水平立體信息下績(jī)效指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果Table 4 Correlation analysis between sustained attention test and performance indicators under the 4 information levels

綜合來(lái)看，CPT正確率與碰撞次數(shù)顯著負(fù)相關(guān)，且持續(xù)注意能力與限位次數(shù)、對(duì)接操作時(shí)間、多余行走距離、close次數(shù)等也有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。特別地，在立體信息完整的D水平下，持續(xù)注意能力與限位次數(shù)有非常顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

工作記憶（2?BACK）能力和對(duì)接績(jī)效的關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，工作記憶能力的高低與對(duì)接試驗(yàn)績(jī)效沒(méi)有表現(xiàn)出非常緊密的相關(guān)關(guān)系。

注意分配能力和對(duì)接績(jī)效的關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，在局部信息補(bǔ)償后，注意分配能力與角度偏差有明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系（r＝－0.377，p＝0.070），而全局信息補(bǔ)償后，注意分配能力與close次數(shù)呈邊緣顯著負(fù)相關(guān)（r＝－0.373，p＝0.073）。

3.3認(rèn)知能力與情境意識(shí)之間的相關(guān)分析

對(duì)基本認(rèn)知能力與遙操作任務(wù)過(guò)程中被試情境意識(shí)水平進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表5所示。

表5 認(rèn)知能力與情境意識(shí)相關(guān)性分析結(jié)果Table 5 Correlation analysis between cognitive abilities and situation awareness

從四種立體信息水平綜合影響來(lái)看，視角轉(zhuǎn)換能力與被試在操作過(guò)程中的注意資源的分配水平顯著正相關(guān)；心理旋轉(zhuǎn)能力同被試在操作過(guò)程中接受到的信息質(zhì)量有很強(qiáng)的相關(guān)性；注意分配能力同被試在操作過(guò)程中接受的信息數(shù)量和感受到的情境復(fù)雜度顯著正相關(guān)；運(yùn)動(dòng)控制指標(biāo)與喚醒水平顯著負(fù)相關(guān)；工作記憶能力與喚醒水平以及被試感受到的情境穩(wěn)定性顯著正相關(guān)；持續(xù)注意能力和被試感受到的情境的復(fù)雜性和變化性以及被試在操作過(guò)程中的注意集中程度顯著相關(guān)。

4 討論

4.1認(rèn)知能力與績(jī)效的相關(guān)分析

4.1.1 基本認(rèn)知能力關(guān)聯(lián)分析

由3.1節(jié)可知，空間能力越強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)控制能力越強(qiáng)。在前期的文獻(xiàn)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，空間能力強(qiáng)的人有很強(qiáng)的整體路徑的規(guī)劃和擇優(yōu)選擇的能力［10］，能很好地將手柄操作與視圖中的場(chǎng)景對(duì)應(yīng)起來(lái)，從而促進(jìn)手柄的精準(zhǔn)控制，與運(yùn)動(dòng)控制能力表現(xiàn)出顯著的內(nèi)在相關(guān)性。

由基本認(rèn)知能力之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)分析可知，在對(duì)航天員進(jìn)行其中一項(xiàng)基本能力訓(xùn)練時(shí)，適當(dāng)?shù)丶尤肱c之關(guān)聯(lián)的其他認(rèn)知能力訓(xùn)練有利于提高訓(xùn)練的效果。

4.1.2 空間能力與績(jī)效水平關(guān)聯(lián)分析

由3.2節(jié)表1、表2可以看出，空間能力對(duì)遙對(duì)接任務(wù)的完成和操作過(guò)程中的各項(xiàng)指標(biāo)都有比較明顯的作用，M.Alejandra等人在模擬空間站對(duì)接任務(wù)試驗(yàn)中也有類似的結(jié)論［10］。特別地，在試驗(yàn)中視角轉(zhuǎn)換能力越強(qiáng)，對(duì)末端攝像頭的場(chǎng)景的認(rèn)知能力越好，從而對(duì)機(jī)械臂末端與對(duì)接目標(biāo)之間的位置關(guān)系的認(rèn)識(shí)也更加清楚，碰撞次數(shù)越少。心理旋轉(zhuǎn)能力越強(qiáng)，對(duì)末端攝像頭與對(duì)接目標(biāo)之間的角度關(guān)系認(rèn)識(shí)更加清晰，對(duì)應(yīng)的往復(fù)操作次數(shù)和末端與目標(biāo)之間的角度偏差則越小，對(duì)接成功率越高。此外，在立體信息不足的情況下，根據(jù)心理旋轉(zhuǎn)能力和任務(wù)時(shí)間、角度偏差顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系可推斷，心理旋轉(zhuǎn)能力的提高對(duì)減少任務(wù)時(shí)間和角度偏差有積極的效果，心理旋轉(zhuǎn)能力能較有效地補(bǔ)償立體信息、保障機(jī)械臂遙對(duì)接任務(wù)績(jī)效的穩(wěn)定；進(jìn)行局部信息補(bǔ)償后，角度偏差和心理旋轉(zhuǎn)之間的關(guān)系相對(duì)弱化，進(jìn)一步說(shuō)明心理旋轉(zhuǎn)能力和局部立體信息的補(bǔ)償之間具有一定的耦合作用以及相互補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

不僅如此，在立體信息比較完整的水平下，視角轉(zhuǎn)換能力與績(jī)效指標(biāo)有比較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，說(shuō)明了立體信息的補(bǔ)償對(duì)于機(jī)械臂遙對(duì)接任務(wù)的其中一個(gè)意義是增強(qiáng)了視角變換能力的發(fā)揮，從而對(duì)遙操作績(jī)效有更加積極的作用。

4.1.3 注意分配能力與績(jī)效水平關(guān)聯(lián)分析

Draper指出操作者的注意分配能力對(duì)遙操作過(guò)程的沉浸感有很大影響［11］。操作者能否合理分配注意資源到各項(xiàng)關(guān)鍵信息中，對(duì)任務(wù)場(chǎng)景、情境的認(rèn)知有積極作用。試驗(yàn)過(guò)程中局部信息補(bǔ)償后，深度信息增多，被試需要對(duì)局部攝像頭中呈現(xiàn)的機(jī)械臂末端與目標(biāo)之間的相對(duì)角度偏差進(jìn)行判斷，同時(shí)，需要結(jié)合末端攝像頭反饋的目標(biāo)的形狀信息對(duì)末端與目標(biāo)間的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行判斷。能夠越好地將注意資源分配到這兩個(gè)界面信息中有利于更好地進(jìn)行最后階段的姿態(tài)、角度調(diào)節(jié)，因此注意分配能力與角度偏差有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。而全局信息的補(bǔ)償，被試還需要實(shí)時(shí)關(guān)注機(jī)械臂與外界環(huán)境如墻壁等物體之間的位置關(guān)系，有利于避免對(duì)接任務(wù)中間階段close事故的發(fā)生。

4.1.4 運(yùn)動(dòng)控制能力與績(jī)效水平關(guān)聯(lián)分析

手柄操作是機(jī)械臂遙對(duì)接的主要控制輸入操作，對(duì)手柄微控能力關(guān)系到機(jī)械臂末端位置和角度偏差的變化以及最終能否成功完成任務(wù)，而角度偏差指標(biāo)與其余各項(xiàng)績(jī)效指標(biāo)都有顯著的相關(guān)關(guān)系，因此，運(yùn)動(dòng)控制能力對(duì)機(jī)械臂遙操作各項(xiàng)指標(biāo)有非常重要的影響，對(duì)對(duì)接任務(wù)的安全順利完成起著關(guān)鍵作用。

4.1.5 工作記憶能力與績(jī)效水平關(guān)聯(lián)分析

工作記憶能力與對(duì)接任務(wù)的績(jī)效水平?jīng)]有表現(xiàn)出顯著性關(guān)系，一方面是因?yàn)楣ぷ饔洃浤芰χ饕磻?yīng)在對(duì)接試驗(yàn)后期操作階段或試驗(yàn)的后幾次任務(wù)中，而后幾次任務(wù)的執(zhí)行又很大程度上受到長(zhǎng)時(shí)記憶的影響，且統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果是對(duì)整個(gè)過(guò)程的觀測(cè)，因此，統(tǒng)計(jì)結(jié)果中沒(méi)有很好地區(qū)分出不同工作記憶能力對(duì)遙操作績(jī)效帶來(lái)的影響。

4.1.6 持續(xù)注意能力與績(jī)效水平關(guān)聯(lián)分析

CPT績(jī)效越高，在對(duì)接過(guò)程中對(duì)于每次操作帶來(lái)的機(jī)械臂變化的效果都有較高的警覺(jué)性，從而碰撞次數(shù)和限位次數(shù)以及臨近工作空間的次數(shù)越少。這種關(guān)系在局部信息補(bǔ)償后表現(xiàn)更加明顯，這是因?yàn)榫植啃畔⒌难a(bǔ)償，增加了攝像頭的數(shù)量，就此項(xiàng)變化而言，一定程度上增加了操作員的情景意識(shí)需求和認(rèn)知負(fù)荷，要求操作員能夠更加集中注意，努力做到在幾個(gè)攝像頭之間進(jìn)行快速切換。

將6項(xiàng)基本認(rèn)知能力和績(jī)效指標(biāo)中的對(duì)接成功次數(shù)進(jìn)行線性回歸分析，從得到的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)中發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)控制能力和心理旋轉(zhuǎn)能力指標(biāo)對(duì)機(jī)械臂對(duì)接成功率的影響最大。同樣對(duì)碰撞次數(shù)以及其余的績(jī)效指標(biāo)依次進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)：視角轉(zhuǎn)換能力和持續(xù)注意能力是影響碰撞次數(shù)的兩項(xiàng)關(guān)鍵因素，此外，多余行走距離受到視角轉(zhuǎn)換能力的影響最大，而close次數(shù)受到持續(xù)注意能力影響最大；運(yùn)動(dòng)控制能力對(duì)限位次數(shù)、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、往復(fù)操作次數(shù)以及多軸操作效率具有主導(dǎo)的影響作用；注意分配、運(yùn)動(dòng)控制能力對(duì)角度偏差的影響顯著。因此可以推斷，對(duì)受到立體信息缺失影響較大的成功率、碰撞次數(shù)、close次數(shù)以及角度偏差等績(jī)效指標(biāo)，提高航天員的運(yùn)動(dòng)控制能力、持續(xù)注意能力以及空間能力，對(duì)減小信息缺失造成的影響有顯著的作用。

為驗(yàn)證不同認(rèn)知能力人群在遙操作任務(wù)中的影響作用，根據(jù)與對(duì)接成功率顯著相關(guān)的心理旋轉(zhuǎn)基本能力測(cè)試成績(jī)，對(duì)24個(gè)被試進(jìn)行K均值聚類分組，分為高低能力兩組人群。其中高水平人群13人，低水平人群11人，分組具有顯著性差異。對(duì)兩組人群的績(jī)效進(jìn)行方差分析發(fā)現(xiàn)，高水平組的對(duì)接成功率顯著高于低水平組，且碰撞次數(shù)以及錯(cuò)誤操作次數(shù)要顯著少于低水平組，說(shuō)明該項(xiàng)空間能力對(duì)于航天員的選拔有比較明顯的指導(dǎo)作用。

4.2認(rèn)知能力與情境意識(shí)水平的相關(guān)分析

由3.3節(jié)可以知道，心理旋轉(zhuǎn)能力越強(qiáng)，對(duì)呈現(xiàn)的視覺(jué)信息的理解就更加深刻，在操作過(guò)程中能及時(shí)為下一步操作獲取需要的關(guān)鍵信息，即接受到的信息質(zhì)量水平更高、信息處理效率更高；而注意分配能力越強(qiáng)，被試在操作過(guò)程中能更好地將注意分配到各個(gè)攝像頭的信息中，對(duì)各個(gè)攝像頭反饋的視頻信息的關(guān)注范圍越廣、利用程度越高，整合的信息數(shù)量就越充分，感受到情境的復(fù)雜度水平也相對(duì)更高。這也從情境意識(shí)的角度解釋了心理旋轉(zhuǎn)能力和注意分配能力能有效補(bǔ)償立體信息缺失造成的視覺(jué)信息不完善帶來(lái)的績(jī)效影響。

同樣，持續(xù)注意能力越強(qiáng)，被試的注意集中能力越強(qiáng)，對(duì)操作過(guò)程手柄操作對(duì)應(yīng)的機(jī)械臂的變化觀察就越仔細(xì)，對(duì)機(jī)械臂多個(gè)關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的理解就越清晰，因此對(duì)情境的復(fù)雜度水平和變化性意識(shí)就越高。

運(yùn)動(dòng)控制和工作記憶能力強(qiáng)的人，在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，更善于對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行觀察和記憶，對(duì)細(xì)節(jié)變化的意識(shí)水平較高，從而在精細(xì)控制任務(wù)中以及在快速的工作記憶環(huán)節(jié)表現(xiàn)出較好的成績(jī)，因此，在對(duì)接操作過(guò)程中，對(duì)情境變化能夠更加快速地反應(yīng)以及做出響應(yīng)，具有更高的情境喚醒水平。

5 結(jié)論

本研究在一定程度上揭示了各項(xiàng)基本認(rèn)知能力在機(jī)械臂遙操作過(guò)程中的作用。對(duì)于機(jī)械臂遙操作任務(wù)，運(yùn)動(dòng)控制能力與工作記憶能力對(duì)被試操作過(guò)程中的情境意識(shí)水平有積極的影響作用，心理旋轉(zhuǎn)能力和注意分配能力有利于操作過(guò)程信息的充分獲取，持續(xù)注意水平則對(duì)情境的認(rèn)知作用明顯。空間能力、運(yùn)動(dòng)控制能力和持續(xù)注意水平對(duì)任務(wù)的完成以及操作的安全性、高效性有很強(qiáng)的作用；其中運(yùn)動(dòng)控制能力越高，操作效率和任務(wù)成功率越高，空間能力和持續(xù)注意能力對(duì)避免事故起到了關(guān)鍵作用。注意分配能力、心理旋轉(zhuǎn)能力在局部立體信息缺失的情境下，對(duì)保持機(jī)械臂遙對(duì)接任務(wù)各項(xiàng)績(jī)效指標(biāo)的穩(wěn)定、補(bǔ)償局部信息缺失有較好的效果。后續(xù)還需結(jié)合相應(yīng)的認(rèn)知能力訓(xùn)練，開(kāi)展更多人次的試驗(yàn)，對(duì)比認(rèn)知能力訓(xùn)練前后遙操作績(jī)效指標(biāo)的變化情況，對(duì)本研究結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。

NASA已經(jīng)把空間能力作為選拔航天員的一項(xiàng)重要指標(biāo)［8?9］［25］。而我國(guó)也應(yīng)該根據(jù)不同任務(wù)的認(rèn)知特性要求篩選相應(yīng)的認(rèn)知能力作為航天員選拔和訓(xùn)練指標(biāo)，提高訓(xùn)練的科學(xué)性，從而保障在軌任務(wù)的順利完成。

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（責(zé)任編輯：龐迎春）

Study on Effects of Basic Cognitive Abilities on Teleoperation Tasks under Various Lacking Levels of 3D Information

TANG Weicai1，CHEN Shanguang1，2?，XIAO Yi1，JIANG Guohua1，TIAN Zhiqiang1

（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）

Aiming at the influence of teleoperation?related cognitive functions on the operation per?formance and situation awareness under various lacking levels of 3D information in specific teleopera?tion tasks，a 24?volunteers experiment was conducted including the teleoperation simulation task ex?periment and 6 sections of basic cognitive tests.The effect of the cognitive ability on the teleopera?tion task was analyzed using the correlation analysis method.The results showed that：the spatial a?bility，the motion control ability and the sustained attention level were closely related to the task completion rate and the operation security and efficiency；the attention distribution ability and the mental rotation ability were significant to keep the performance indicator stable and ensure the suc?cessful completion of the teleoperation task when lacking of local stereo situation information.There?fore，carrying out the cognitive ability training according to the requirements of the task and the as?tronaut characteristics and assigning the orbit tasks rationally will be helpful to improve the training effect and ensure the successful completion of the orbit mission.

teleoperation；lack of three?dimensional information；cognitive ability；situation aware?ness；performance index

V7

：A

：1674?5825（2017）02?0266?08

2016?03?21；

2017?03?06

國(guó)家自然科學(xué)基金（71371174）；國(guó)家自然科學(xué)基金（71201148）；中國(guó)航天醫(yī)學(xué)工程預(yù)先研究項(xiàng)目（2012SY54A1705）；人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題（（HF2011?Z?Z?A?01）

唐偉財(cái)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楹教烊艘蚩煽啃浴?mail：jipingacai＠163.com