面向空間機(jī)械臂遙操作任務(wù)的客觀績(jī)效指標(biāo)分析

薛書(shū)騏，王春慧，蔣 婷，田志強(qiáng)，姜國(guó)華

面向空間機(jī)械臂遙操作任務(wù)的客觀績(jī)效指標(biāo)分析

薛書(shū)騏，王春慧，蔣 婷，田志強(qiáng)，姜國(guó)華?

（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）

面向空間站背景下的機(jī)械臂遙操作任務(wù)，總結(jié)并提出了11項(xiàng)操作者在手柄操作中的客觀績(jī)效指標(biāo)，基于機(jī)械臂遙操作仿真平臺(tái)進(jìn)行了機(jī)械臂轉(zhuǎn)移對(duì)接操作實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：提供數(shù)值信息對(duì)多項(xiàng)操作績(jī)效指標(biāo)有提升作用，4攝像機(jī)布置方案在到達(dá)關(guān)節(jié)限位次數(shù)指標(biāo)上優(yōu)于2攝像機(jī)布置方案；關(guān)節(jié)限位次數(shù)、錯(cuò)誤操作次數(shù)、手柄控制效率等幾項(xiàng)指標(biāo)，可以預(yù)測(cè)是否能夠成功完成對(duì)接任務(wù)。提出的手柄控制效率指標(biāo)能夠預(yù)測(cè)操作用時(shí)以及到達(dá)限位位置風(fēng)險(xiǎn)等核心指標(biāo)，可用于綜合評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)任務(wù)中人的操作效率。

遙操作；機(jī)械臂；績(jī)效指標(biāo)；工效學(xué)

Abstract： As to the teleoperation tasks of space manipulator in the space station， 11 items of performance metrics in the operation were summarized，and the experiments of manipulator transfer and docking based on the manipulator teleoperation simulation platform were conducted.The results showed that： providing numerical information could promote several indexes， and the layout setting of 4 cameras was superior to that of the 2 cameras for the times of reaching joint limitation；the mission success could be predicted by the times of reaching joint limitation，the times of incorrect operation and the efficiency of operating the hand controllers；the efficiency of operating the hand controller proposed in this study could predict the completion time and the risk of reaching joint limitation，hence it may be used in the comprehensive evaluation of an operator’s performance in manipulator operation.

Key words：teleoperation； robotic arms； performance metrics； ergonomics

1 引言

空間站機(jī)械臂，在國(guó)際空間站的運(yùn)營(yíng)維護(hù)和執(zhí)行任務(wù)中發(fā)揮著重要作用［1］，其主要功能包括輔助航天員進(jìn)行出艙活動(dòng)、輔助進(jìn)行目標(biāo)航天器與空間站的交會(huì)對(duì)接、艙段轉(zhuǎn)位、捕獲目標(biāo)飛行器、艙外狀態(tài)巡檢等［2］。在我國(guó)未來(lái)空間站規(guī)劃中，機(jī)械臂是其重要組成部分，是空間站建設(shè)和維護(hù)的關(guān)鍵裝備［3］。

對(duì)機(jī)械臂的遠(yuǎn)程操控，雖然有計(jì)算機(jī)自動(dòng)化操作的支持，但操作者（航天員）通過(guò)觀察人機(jī)界面（Human-Computer Interface， HCI）上的信息進(jìn)行人工控制的遙操作模式仍然必不可少［4］。通過(guò)分析、提煉有效客觀的操作績(jī)效指標(biāo)，能有效評(píng)價(jià)人員操作水平［5］，進(jìn)而有針對(duì)性地改善機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以提升操作成功率和操作效率，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

在機(jī)械臂遙操作模式下，操作者主要依靠安裝在機(jī)械臂上的局部攝像機(jī)和安裝在空間站艙體上的全局?jǐn)z像機(jī)所拍攝的圖像信息，獲得對(duì)機(jī)械臂外部作業(yè)環(huán)境的感知［6］，操作過(guò)程中需要對(duì)多個(gè)局部（隨動(dòng)）和全局（固定）攝像機(jī)所提供畫(huà)面的認(rèn)知加工和空間想象［7］。除了直觀的圖像信息以外，操作者還需要綜合關(guān)注機(jī)械臂的其他運(yùn)行狀態(tài)信息。所以，機(jī)械臂遙操作任務(wù)是一項(xiàng)考驗(yàn)操作者綜合認(rèn)知和操作能力的復(fù)雜任務(wù)，對(duì)其操作水平的評(píng)價(jià)，也成為了訓(xùn)練中的重要問(wèn)題［8］。

國(guó)際空間站機(jī)械臂系統(tǒng)近20年來(lái)的訓(xùn)練實(shí)踐，主要依靠NASA訓(xùn)練師的主觀評(píng)價(jià)對(duì)受訓(xùn)操作者的作業(yè)進(jìn)行觀察，查看其對(duì)特定技能掌握的情況，并進(jìn)行打分［5］。其主觀評(píng)價(jià)方法形成了一套通用機(jī)器人訓(xùn)練（Genetic Robotic Training，GRT）手冊(cè)［9］，表1節(jié)選了其中部分技能及技能標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)GRT而言，雖然其標(biāo)準(zhǔn)中有客觀的部分，如是否出現(xiàn)碰撞、到達(dá)關(guān)節(jié)限位次數(shù)等，但主要還是依靠訓(xùn)練師的主觀意見(jiàn)，這不利于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)化，也不利于受訓(xùn)者進(jìn)行自學(xué)。

表1 NASA遠(yuǎn)程機(jī)器人訓(xùn)練評(píng)價(jià)手冊(cè)（GRT）標(biāo)準(zhǔn)（節(jié)選）Table 1 NASA GRT standards （excerpts）

除了NASA的研究，多年來(lái)亦有多位研究者對(duì)機(jī)器臂遙操作的客觀績(jī)效指標(biāo)進(jìn)行過(guò)探索，如Fry等人［10］在旨在向NASA機(jī)器人操作訓(xùn)練提供可靠評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究中，提出并驗(yàn)證了平順操作輸入和多軸操作輸入兩種有效指標(biāo)；Lamb和Owen［11］在空間站機(jī)械臂仿真條件下進(jìn)行了負(fù)載運(yùn)動(dòng)的操作實(shí)驗(yàn)，選取了任務(wù)完成時(shí)間、操作失誤數(shù)和控制偏移程度幾項(xiàng)績(jī)效指標(biāo)；Akagi等［12］在3自由度單監(jiān)視器實(shí)驗(yàn)條件下選取了完成時(shí)間、正確操作次數(shù)、行走距離等6項(xiàng)績(jī)效指標(biāo)。但國(guó)外相關(guān)研究并未把客觀操作績(jī)效本身當(dāng)作集中分析討論的目標(biāo)，且其實(shí)驗(yàn)任務(wù)多集中在機(jī)械臂移動(dòng)（fly-to）任務(wù)，并未針對(duì)機(jī)械臂末端的精細(xì)操作任務(wù)進(jìn)行績(jī)效研究。

面向空間站背景，以及其他應(yīng)用環(huán)境下的機(jī)械臂遙操作任務(wù)，本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)任務(wù)特點(diǎn)，梳理并提出了多項(xiàng)操作績(jī)效指標(biāo)。在機(jī)械臂遙操作仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行模擬機(jī)械臂末端對(duì)接目標(biāo)物的操作實(shí)驗(yàn)，采集各項(xiàng)指標(biāo)；通過(guò)分析不同實(shí)驗(yàn)條件下各指標(biāo)差異的顯著性和關(guān)鍵指標(biāo)間的相關(guān)性，尋找影響操作成功率和安全性的關(guān)鍵要素；并驗(yàn)證本文提出的指標(biāo)的有效性。

2 機(jī)械臂遙操作任務(wù)的績(jī)效指標(biāo)

本文在梳理上述研究的基礎(chǔ)上，面向空間站機(jī)械臂手柄遙操作的任務(wù)特點(diǎn)，針對(duì)機(jī)械臂末端對(duì)接目標(biāo)物的操作任務(wù)，共提出11項(xiàng)客觀操作績(jī)效，見(jiàn)表2。其中，本文提出了8—11四項(xiàng)操作效率指標(biāo)。

指標(biāo)8能夠反映操作者觀察攝像機(jī)圖像，進(jìn)行空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的認(rèn)知能力，錯(cuò)誤操作越少，反映操作者對(duì)目標(biāo)方位和機(jī)械臂末端方位的認(rèn)識(shí)越準(zhǔn)確；9對(duì)應(yīng)機(jī)械臂末端在平移三個(gè)自由度上行走的效率，這個(gè)值越高，說(shuō)明單位時(shí)間內(nèi)走的距離越多，也就是操作者操作更順暢；10和11對(duì)應(yīng)兩個(gè)手柄的操作效率，它們的值越低，說(shuō)明彌補(bǔ)單位偏差的手柄操作量越少。在實(shí)驗(yàn)研究中將會(huì)對(duì)這些指標(biāo)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證和分析。

表2 機(jī)械臂手柄遙操作客觀績(jī)效指標(biāo)（共11項(xiàng)）Table 2 Objective performance metrics of manipulator operation with hand controllers

3 方法

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在V-REP PRO仿真機(jī)器人軟件平臺(tái)上，構(gòu)建如圖1所示的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。機(jī)械臂基于沈陽(yáng)新松SR6C型工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行仿真建模，該機(jī)械臂共有6關(guān)節(jié)，保證機(jī)械臂末端能以6自由度（3個(gè)平移自由度和3個(gè)姿態(tài)自由度）在工作空間內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這和空間站機(jī)械臂主要人控操作模式是類似的。實(shí)驗(yàn)中被試操作者需要觀察虛擬攝像頭提供的圖像信息，通過(guò)控制左右手兩個(gè)操作手柄（萊仕達(dá)PNX-2103型），以機(jī)械臂末端坐標(biāo)系為控制坐標(biāo)系，進(jìn)行仿真遙操作。

3.2 受試者

選擇16位受試者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。受試者均為男性，右利手，平均年齡24.4（標(biāo)準(zhǔn)差s＝±1.5）歲，在實(shí)驗(yàn)之前均無(wú)機(jī)械臂遙操作經(jīng)驗(yàn)，需要進(jìn)行同質(zhì)的試前培訓(xùn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

通過(guò)對(duì)空間站機(jī)械臂遙操作任務(wù)模式分析，本文設(shè)置操作任務(wù)如下：如圖1所示，在仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中機(jī)械臂末端上安置了1個(gè)十字形對(duì)接機(jī)構(gòu)（用顏色標(biāo)記其方向），在機(jī)械臂工作可達(dá)域內(nèi)設(shè)置了兩個(gè)立方體對(duì)接目標(biāo)塊，目標(biāo)塊上各開(kāi)設(shè)了3個(gè)十字槽；每次操作任務(wù)，系統(tǒng)會(huì)在6個(gè)十字槽對(duì)接面上隨機(jī)選取一個(gè)，并用顏色標(biāo)記，即為當(dāng)前操作任務(wù)對(duì)接目標(biāo)；操作者需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)（240 s）操作機(jī)械臂，使末端十字機(jī)構(gòu)以顏色標(biāo)記相對(duì)應(yīng)的姿態(tài)插入選定的對(duì)接槽（對(duì)接成功條件是平移相對(duì)偏差小于0.004 m，姿態(tài)偏差小于4°），則操作成功，否則視為失敗。如果在操作中出現(xiàn)機(jī)械臂關(guān)節(jié)到達(dá)限位位置，或機(jī)械臂與外界產(chǎn)生碰撞，系統(tǒng)會(huì)彈出警告，要求操作者將機(jī)械臂調(diào)整到合理位置，再繼續(xù)進(jìn)行操作。

圖1 仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景Fig.1 The simulated experimental scene

在受試者操作手柄控制機(jī)械臂執(zhí)行本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的對(duì)接任務(wù)時(shí)，實(shí)際上經(jīng)過(guò)兩個(gè)操作階段：第一階段是監(jiān)視攝像機(jī)圖像（主要是全局?jǐn)z像機(jī)），操作機(jī)械臂使對(duì)接目標(biāo)面出現(xiàn)在末端局部攝像機(jī)的視野中；第二階段是主要依靠局部攝像機(jī)圖像，以及數(shù)值信息的輔助（當(dāng)提供時(shí)），調(diào)整末端的位置和姿態(tài)，完成對(duì)接的精細(xì)操作。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置中末端運(yùn)動(dòng)速度保持勻速，難度（表現(xiàn)為初始距離和角度偏差）設(shè)置大體均等。

3.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

每位受試者在正式實(shí)驗(yàn)前接受同等水平和流程的培訓(xùn)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為兩因素兩水平組內(nèi)實(shí)驗(yàn)，兩種因素分別為是否有數(shù)值信息輔助和虛擬攝像機(jī)的安置數(shù)量（2或4），具體界面布局如圖2所示。

圖2 四種不同的HCI方案設(shè)置Fig.2 Four layout plans of HCI

其中數(shù)值信息提供末端與目標(biāo)的6自由度相對(duì)偏差、六個(gè)關(guān)節(jié)各自當(dāng)前所處的角度和角度位限、任務(wù)進(jìn)行時(shí)間以及其他次要信息。在2攝像機(jī)的條件下，1個(gè)為末端的隨動(dòng)（局部）攝像機(jī)，1個(gè)為能夠觀察到全部6個(gè)對(duì)接面的固定（全局）攝像機(jī)；4攝像機(jī)條件下，除了前面2個(gè)，再提供能分別從另一個(gè)角度觀察兩個(gè)對(duì)接目標(biāo)立方體的全局?jǐn)z像機(jī)，由于每次任務(wù)的對(duì)接目標(biāo)只有一個(gè)，在4攝像機(jī)設(shè)置中，實(shí)際上只有3個(gè)攝像機(jī)起作用。

根據(jù)吳旭等人的注意力分配理論［13］，操作者在操作中關(guān)注的信息不宜超過(guò)4項(xiàng)，在有數(shù)值+4攝像機(jī)實(shí)驗(yàn)條件下，由于只有3攝像機(jī)起作用，達(dá)到了這個(gè)臨界值。

實(shí)驗(yàn)假設(shè)認(rèn)為提供數(shù)值信息和3有效攝像機(jī)的方案能夠幫助操作者提高操作績(jī)效。

16位受試者在4種界面設(shè)置條件下各進(jìn)行2次對(duì)接操作。為避免學(xué)習(xí)效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)順序采用拉丁方平衡設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)記錄受試者的操作數(shù)據(jù)，后期按照表2的要求整理成相應(yīng)績(jī)效指標(biāo)。

4 結(jié)果

對(duì)11項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行多因素方差分析的明，有數(shù)值疊加輔助信息條件下的實(shí)驗(yàn)績(jī)效（除末端運(yùn)動(dòng)效率一項(xiàng)外）普遍優(yōu)于無(wú)數(shù)值疊加的實(shí)驗(yàn)績(jī)效，其中是否成功、碰撞次數(shù)、對(duì)接時(shí)間、平移手柄操作效率、姿態(tài)手柄操作效率等5項(xiàng)指標(biāo)有顯著性差異（p＜0.05）。4攝像機(jī)條件下的多數(shù)績(jī)效指標(biāo)均優(yōu)于2攝像機(jī)條件，但除了到達(dá)關(guān)節(jié)限位次數(shù)（方差分析F值及顯著度F＝4.299，p＝0.040）一項(xiàng)外，總體上各績(jī)效指標(biāo)間沒(méi)有表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著性差異。分析兩種因素間交互作用的結(jié)果表明，交互作用對(duì)末端運(yùn)動(dòng)效率產(chǎn)生了顯著影響（F＝4.690，p＝0.032）。在分析中產(chǎn)生了顯著性差異的7項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 4種實(shí)驗(yàn)條件下有顯著性差異操作績(jī)效指標(biāo)的比較Table 3 Comparison of performance metrics（with significant difference） under 4 different experimental conditions.

所有操作的總體成功率為73.17%。分別比較成功組和失敗組之間其余的10項(xiàng)績(jī)效數(shù)據(jù)，通過(guò)顯著性分析發(fā)現(xiàn)，除了碰撞次數(shù)、多軸操作比率和末端運(yùn)動(dòng)效率外，成功組各項(xiàng)指標(biāo)均顯著優(yōu)于（p＜0.003）失敗組。分別對(duì)操作成功和失敗的樣本進(jìn)行組內(nèi)2×2的多因素方差分析，發(fā)現(xiàn)在對(duì)接成功的操作中，是否有數(shù)值對(duì)碰撞次數(shù)、角度精度和姿態(tài)手柄操作效率產(chǎn)生了顯著影響（p＜0.026），成功和失敗條件下的這3項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比條形圖見(jiàn)圖3；而攝像機(jī)布置僅對(duì)碰撞次數(shù)產(chǎn)生顯著影響（F＝5.417，p＝0.022）。在對(duì)接失敗的操 作中，實(shí)驗(yàn)因素對(duì)操作績(jī)效的影響都不顯著。

圖3 四種實(shí)驗(yàn)條件下3項(xiàng)績(jī)效指標(biāo)水平（碰撞次數(shù)、角度精度、姿態(tài)手柄操作效率）的比較Fig.3 Comparison of the metrics （times of collision， angle accuracy， efficiency of attitude hand controller operation）under 4 experimental conditions

對(duì)是否對(duì)接成功、碰撞次數(shù)、關(guān)節(jié)限位次數(shù)、對(duì)接時(shí)間等4項(xiàng)重要的績(jī)效指標(biāo)，用其他的對(duì)接效率指標(biāo)與它們做相關(guān)分析，以此找到對(duì)重要指標(biāo)影響最大、相關(guān)性最密切的效率指標(biāo)，其結(jié)果如表4所示。觀察表中相關(guān)性分析的具體結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于成功與否這項(xiàng)在本實(shí)驗(yàn)中最為重要的績(jī)效指標(biāo)，各指標(biāo)都與其顯著相關(guān)；對(duì)兩項(xiàng)安全性指標(biāo)（碰撞次數(shù)與關(guān)節(jié)限位次數(shù)，見(jiàn)表2），效率指標(biāo)并不能很好預(yù)測(cè)碰撞次數(shù)，說(shuō)明這項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)獨(dú)立，但末端運(yùn)動(dòng)效率和姿態(tài)操作效率兩項(xiàng)指標(biāo)與到達(dá)關(guān)節(jié)限位次數(shù)相關(guān)性顯著；而對(duì)本實(shí)驗(yàn)中較為重要的對(duì)接時(shí)間指標(biāo)，各項(xiàng)效率指標(biāo)都與其顯著相關(guān)。

表4 與關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)相關(guān)性最顯著的其他指標(biāo)Table 4 The most correlated other indexes to the key performance metrics

5 討論

5.1 實(shí)驗(yàn)因素影響

受試者主要關(guān)注的數(shù)值信息是相對(duì)位姿偏差信息。對(duì)提供數(shù)值信息的操作，受試者一般在進(jìn)入第二操作階段（見(jiàn)實(shí)驗(yàn)任務(wù)）后會(huì)開(kāi)始關(guān)注數(shù)值，控制機(jī)械臂末端位姿使之滿足預(yù)設(shè)的對(duì)接條件，即可對(duì)接成功，故有數(shù)值情況下的對(duì)接成功率顯著較優(yōu)（F＝4.545，p＝0.035）。而本實(shí)驗(yàn)中的碰撞基本全部發(fā)生在精細(xì)對(duì)接階段，在位姿偏差信息的輔助下，受試者能夠判斷是否有碰撞風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行規(guī)避，所以有數(shù)值的情況使碰撞次數(shù)出現(xiàn)顯著減?。‵＝5.214，p＝0.024）；偏差數(shù)值信息也能幫助受試者判斷當(dāng)前手柄操作的正誤，即如果相對(duì)偏差的絕對(duì)值在減小，一般說(shuō)明當(dāng)前手柄操作的方向是正確的，所以手柄操作績(jī)效指標(biāo)顯著較優(yōu)（F＝4.043，p＝0.047；F＝7.015，p＝0.009）。

如前文所述，攝像頭布置主要起作用于第一操作階段。4攝像機(jī)（3有效攝像機(jī)）的設(shè)置方案中，受試者能夠（比數(shù)值）更直觀地判斷機(jī)械臂幾個(gè)關(guān)節(jié)是否有到達(dá)限位位置的風(fēng)險(xiǎn)，所以使這項(xiàng)指標(biāo)出現(xiàn)了顯著（F＝4.299，p＝0.040）優(yōu)化。但在本實(shí)驗(yàn)任務(wù)中，同2攝像頭布置方案相比，4攝像機(jī)方案雖然在多數(shù)績(jī)效指標(biāo)相對(duì)較優(yōu)，但并沒(méi)有產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著影響；說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)設(shè)置下，多攝像機(jī)觀察并未對(duì)績(jī)效指標(biāo)產(chǎn)生決定性的影響，這可能是由于末端攝像機(jī)視角在末端坐標(biāo)系控制模式中起到了極為關(guān)鍵的作用，而增加的輔助攝像機(jī)相對(duì)的重要性就出現(xiàn)了下降，從而對(duì)任務(wù)績(jī)效的影響也相對(duì)降低［14］。

在數(shù)值和攝像頭兩種因素的交互作用下，末端運(yùn)動(dòng)效率指標(biāo)出現(xiàn)了顯著差異（F＝4.690，p＝0.032）。這說(shuō)明在操作的第一階段，對(duì)相對(duì)偏差信息的理解和對(duì)多攝像頭協(xié)同觀察的理解產(chǎn)生了相互作用；兩種信息同時(shí)給出會(huì)造成某種程度的信息過(guò)剩，造成受試者注意力分配的困難［13］，導(dǎo)致認(rèn)知負(fù)擔(dān)增加，績(jī)效出現(xiàn)下降。

5.2 績(jī)效指標(biāo)分析

根據(jù)任務(wù)分析，實(shí)驗(yàn)因素分析，以及績(jī)效指標(biāo)間相互關(guān)系分析的結(jié)果，分別討論各項(xiàng)（各組）績(jī)效指標(biāo)。

1）對(duì)接成功以及對(duì)接時(shí)間。對(duì)接是否成功，不僅是本實(shí)驗(yàn)，也是包括空間站以及其他應(yīng)用背景下的機(jī)械臂遙操作任務(wù)的核心指標(biāo)。在本實(shí)驗(yàn)中對(duì)接時(shí)間的長(zhǎng)短和對(duì)接精度只有在任務(wù)成功的條件下才有意義，所以沒(méi)有考慮這3項(xiàng)指標(biāo)對(duì)成功與否的相關(guān)性。關(guān)節(jié)限位次數(shù)對(duì)是否能成功產(chǎn)生了顯著影響（見(jiàn)表3），這是由于到達(dá)限位需要受試者做復(fù)雜的操作判斷，以解除不安全狀態(tài)，這將耗費(fèi)較長(zhǎng)的操作時(shí)間。而本文提出的操作效率指標(biāo)，尤其是錯(cuò)誤操作次數(shù)，以及兩項(xiàng)手柄操作效率指標(biāo)，能夠反映受試者高效的操作，故對(duì)成功與否，以及操作用時(shí)長(zhǎng)短有明顯的預(yù)測(cè)作用。

2）安全性指標(biāo)。在實(shí)際機(jī)械臂操作中產(chǎn)生與目標(biāo)或障礙物的碰撞都是不可接受的危險(xiǎn)行為，在本實(shí)驗(yàn)中各效率指標(biāo)與碰撞相關(guān)關(guān)系較弱（見(jiàn)表3），說(shuō)明碰撞要作為相對(duì)獨(dú)立的指標(biāo)加以考察。另一項(xiàng)指標(biāo)關(guān)節(jié)限位次數(shù)也是機(jī)械臂操作中的重要考察指標(biāo)［9］，到達(dá)限位位置次數(shù)越多，越容易對(duì)硬件系統(tǒng)造成潛在損傷。避免這一不良狀態(tài)，主要依靠操作者保持良好的情境意識(shí)［15］，而這也間接體現(xiàn)到良好的操作效率上（見(jiàn)表3），末端運(yùn)動(dòng)效率以及手柄操作效率都同關(guān)節(jié)限位次數(shù)顯著相關(guān)。

3）錯(cuò)誤操作次數(shù)與多軸操作比率。這兩項(xiàng)指標(biāo)是較為經(jīng)典的機(jī)械臂遙操作效率指標(biāo)，在GRT 和相關(guān)研究［9，11-12，15］中已有體現(xiàn)，在不同操作任務(wù)的背景和指標(biāo)定義下起到了評(píng)價(jià)操作效率的作用。在本實(shí)驗(yàn)任務(wù)中，錯(cuò)誤操作次數(shù)可以有效預(yù)測(cè)是否成功、對(duì)接時(shí)間、關(guān)節(jié)限位次數(shù)等重要指標(biāo)，體現(xiàn)了操作者對(duì)手柄操作的熟練程度，以及對(duì)情境信息理解的正確程度。而多軸操作效率并沒(méi)有表現(xiàn)出顯著的預(yù)測(cè)性，說(shuō)明在本實(shí)驗(yàn)的任務(wù)設(shè)置下這項(xiàng)績(jī)效指標(biāo)效用較低。

4）末端運(yùn)動(dòng)效率。該指標(biāo)主要在任務(wù)的第一階段起作用，受實(shí)驗(yàn)2個(gè)因素交互作用的影響。該指標(biāo)體現(xiàn)了受試者進(jìn)行手柄操作的流暢性，也就反映了操作者進(jìn)行判斷決策的連續(xù)性，故該指標(biāo)對(duì)兩項(xiàng)安全性指標(biāo)和對(duì)接時(shí)間的長(zhǎng)短有著顯著的預(yù)測(cè)效果（見(jiàn)表4）。

5）手柄操作效率指標(biāo)。本文提出的兩項(xiàng)手柄控制指標(biāo)（見(jiàn)表2）反映了操作者在任務(wù)的整個(gè)階段通過(guò)圖像進(jìn)行情境感知、操作手柄和完成任務(wù)的能力水平。在相對(duì)同等的難度下，操作量越少，說(shuō)明效率越高，操作越準(zhǔn)確。這兩項(xiàng)績(jī)效也同對(duì)接是否成功、對(duì)接時(shí)間長(zhǎng)短、以及關(guān)節(jié)限位次數(shù)等重要指標(biāo)顯著相關(guān)（見(jiàn)表4），說(shuō)明通過(guò)對(duì)該項(xiàng)手柄操作客觀績(jī)效指標(biāo)的針對(duì)性訓(xùn)練能提高任務(wù)表現(xiàn)，在今后的機(jī)械臂遙操作人員訓(xùn)練中，可以作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)論

面向空間站機(jī)械臂遙操作應(yīng)用背景，本文通過(guò)對(duì)已有操作績(jī)效的歸納梳理和對(duì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的分析，分析并提煉了11項(xiàng)有針對(duì)性的機(jī)械臂遙操作績(jī)效指標(biāo)。通過(guò)是否有數(shù)值、2或4個(gè)攝像機(jī)布置的仿真操作實(shí)驗(yàn)，收集了這些績(jī)效指標(biāo)，通過(guò)績(jī)效數(shù)據(jù)分析，在本實(shí)驗(yàn)任務(wù)條件下，得到如下結(jié)論：

1）有數(shù)值輔助信息對(duì)是否能夠?qū)映晒?、碰撞次?shù)，以及多項(xiàng)操作效率績(jī)效指標(biāo)有提升作用；4攝像機(jī)圖像條件下，能有效減少機(jī)械臂到達(dá)關(guān)節(jié)限位位置的次數(shù)。故本實(shí)驗(yàn)條件下帶數(shù)值信息輔助的4攝像機(jī)布置界面是較優(yōu)的HCI設(shè)計(jì)方案。

2）關(guān)節(jié)限位次數(shù)、錯(cuò)誤操作次數(shù)、手柄控制效率等幾項(xiàng)指標(biāo)，可有效預(yù)測(cè)是否能夠成功完成對(duì)接任務(wù)；碰撞次數(shù)指標(biāo)相對(duì)獨(dú)立于各項(xiàng)效率指標(biāo)，應(yīng)單獨(dú)考察。

3）本文提出的3項(xiàng)操作效率績(jī)效指標(biāo)（末端運(yùn)動(dòng)效率和平移、姿態(tài)手柄操作效率），能夠預(yù)測(cè)是否成功、到達(dá)限位位置風(fēng)險(xiǎn)以及對(duì)接時(shí)間等核心指標(biāo)，可以用于綜合評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)任務(wù)中人的操作效率，指導(dǎo)操作訓(xùn)練。

后續(xù)研究可以在本文基礎(chǔ)上通過(guò)已有的客觀指標(biāo)，建立評(píng)價(jià)面向空間站機(jī)械臂遙操作績(jī)效的定量計(jì)算模型；可以進(jìn)一步分析績(jī)效指標(biāo)背后操作者的情境意識(shí)，以及情境意識(shí)與績(jī)效間的相互關(guān)系。

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（責(zé)任編輯：龍晉偉）

Analysis of Objective Performance Metrics for Space Manipulator Teleoperation

XUE Shuqi， WANG Chunhui，JIANG Ting， TIAN Zhiqiang，JIANG Guohua?
（China Astronaut Research and Training Center， National Key Laboratory of Human Factors Engineering，Beijing 100094， China）

V7

A

1674-5825（2017）05-0697-07

2016-03-10；

2017-06-12

裝備預(yù)研基金（9140C770202150C77317）；人因工程國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室預(yù)研基金（9140C770205150C77319）；試驗(yàn)技術(shù)研究青年基金項(xiàng)目（2015SY54C0703）

薛書(shū)騏，男，碩士，研究實(shí)習(xí)員，研究方向?yàn)楹教烊艘蚬こ獭⑦b操作系統(tǒng)。E-mail：xavierxuper＠163.com

?通訊作者：姜國(guó)華，男，碩士，研究員，研究方向?yàn)楹教烊艘蚬こ獭⒑教炱飨到y(tǒng)工程。E-mail：jgh_isme＠sina.com