開放式載人月球車人機(jī)交互系統(tǒng)的人機(jī)工效學(xué)設(shè)計(jì)

朱 博，周 震，邱新安，段福偉，陶 院，王禺林

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000）

0 引言

月球表面為真空環(huán)境，且溫度變化范圍極大（-180～150℃），表面崎嶇起伏。大多數(shù)的月球探測(cè)研究需進(jìn)行月面地質(zhì)勘探，從不同地點(diǎn)采集月球巖石和土壤樣本并帶回登月艙[1]。而航天員穿著笨重的艙外航天服進(jìn)行艙外作業(yè)時(shí)行動(dòng)極為不便，如果能用月球車代步，將為月球探索工作提供便利、提高效率。開放式載人月球車具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，可搭載航天員和設(shè)備進(jìn)行中短距離移動(dòng)，且對(duì)火箭運(yùn)載能力和著陸艙容納空間的要求較低。20世紀(jì)60年代美國(guó)“阿波羅”系列載人登月活動(dòng)中就使用了此類月球車。

月球表面沒有大氣存在，開放式載人月球車將直接暴露在宇宙輻射之下，故航天員駕駛月球車的全過程必須穿著艙外航天服。而艙外航天服體積和質(zhì)量很大，對(duì)航天員操控月球車的動(dòng)作有很多約束和限制；另外面對(duì)月球未知地形，行駛環(huán)境的特殊性也會(huì)給航天員造成很大的困難[2]。因此，開放式載人月球車人機(jī)交互系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)必須充分考慮由月球表面特殊環(huán)境造成的復(fù)雜工況，并且提升月球車的駕駛便易性和安全性。

本文梳理出開放式月球車人機(jī)交互系統(tǒng)的功能需求，然后開展人機(jī)交互系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，包括顯示面板布局、燈光控制和操控設(shè)備的設(shè)計(jì)，最后給出設(shè)計(jì)驗(yàn)證結(jié)果。

1 人機(jī)交互系統(tǒng)功能需求分析

開放式載人月球車的人機(jī)交互系統(tǒng)主要包括信息顯示、車輛操控、通信控制、照明控制[3]。同時(shí)由于月球車采用開放式結(jié)構(gòu)，人機(jī)交互設(shè)備直接暴露于月球環(huán)境中，為保證產(chǎn)品安全性和可靠性，車載人機(jī)交互設(shè)備設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到較高防塵等級(jí)和碰撞防護(hù)等級(jí)要求。

1.1 顯示需求分析

月球車上需要顯示的信息主要包括車輛狀態(tài)信息、車輛周邊環(huán)境信息、工作區(qū)域月面形貌信息、車輛位置信息、目標(biāo)位置信息、行駛狀態(tài)信息、車輛駕駛模式、車輛控制模式等8個(gè)部分[4]。此外還應(yīng)包括航天員的關(guān)鍵生理指標(biāo)信息。

車輛的狀態(tài)信息主要包括車載電池的實(shí)時(shí)剩余電量和健康狀態(tài)（包括溫度、最大容量、電壓、電流）以換算出續(xù)航里程，車載傳感器的健康狀態(tài)（包括溫度和受損程度），電機(jī)的健康狀態(tài)（包括溫度和受損程度），車輛燈光是否打開、是近光還是遠(yuǎn)光，車身的傾斜角度（包括左右方向的傾斜和前后方向的傾斜）。周邊環(huán)境信息主要是針對(duì)較大的巖石、較深的月坑、路徑的坡度，以圖形加數(shù)字的形式向航天員做出提示[5]。位置信息包括月球車和目標(biāo)地點(diǎn)相對(duì)著陸艙的極坐標(biāo)位置。行駛狀態(tài)信息顯示速度和里程。

航天員出艙后，可以利用艙外航天服內(nèi)的各種傳感器來監(jiān)控航天員的各項(xiàng)生理指標(biāo)，包括航天員的脈搏、體溫和血氧含量等，這些信息也需要顯示。

1.2 操控需求分析

月球車開展月面巡視與勘察任務(wù)時(shí)，應(yīng)具有一定的自主能力，包括自主導(dǎo)航、定位、路徑規(guī)劃與避障等功能。為此，月球車移動(dòng)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)有人駕駛、遠(yuǎn)程遙控和自主導(dǎo)航共3種操控模式[6]。

有人駕駛操控模式時(shí)，月球車前進(jìn)和后退的切換方式應(yīng)簡(jiǎn)單可靠，避免引起誤操作。傳統(tǒng)的方向盤設(shè)計(jì)需要兩只手操作實(shí)現(xiàn)方向控制，同時(shí)前進(jìn)、后退、剎車等操作需要再單獨(dú)設(shè)計(jì)其他裝置來實(shí)現(xiàn)，不適用于身穿厚重航天服的航天員操作；而飛機(jī)式的控制手柄更適合借鑒以完成月球車的全電傳控制，即，航天員通過對(duì)操作桿的推、拉、左撥、右撥等操作就可以控制月球車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)車輛的運(yùn)動(dòng)操控[7]。

1.3 需求分析小結(jié)

基于上述功能需求分析，載人月球車人機(jī)交互系統(tǒng)的顯示需求可以利用獨(dú)立的顯示面板來實(shí)現(xiàn)，而操控需求可以利用飛機(jī)式的控制手柄來實(shí)現(xiàn)。由于載人月球車的空間有限，而且航天員要身著厚重笨拙的艙外航天服上、下月球車，所以月球車必須無多余障礙結(jié)構(gòu)，符合艙外航天服的人機(jī)工效學(xué)要求。因此本文的重點(diǎn)就是在考慮航天員上下車便捷性的前提下，進(jìn)行人機(jī)交互系統(tǒng)的架構(gòu)布局設(shè)計(jì)。

2 人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

人機(jī)交互控制單元是載人月球車人機(jī)交互系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的計(jì)算與處理[8]，外設(shè)有顯示面板、車輛操控手柄、燈光控制系統(tǒng)、按鍵陣列（如圖1所示）。

圖1 月球車人機(jī)交互系統(tǒng)框架Fig.1 Frame work of human-computer interaction system of the lunar rover

2.2 顯示面板

月球車顯示面板采用整體布局、分塊顯示的設(shè)計(jì)思想，采用雙屏拼湊設(shè)計(jì)，既提高了各顯示內(nèi)容的可靠度，又有效避開了單屏設(shè)計(jì)中“一損俱損”的缺點(diǎn)；采用可收納、可對(duì)折式的布局方式，既充分考慮到月球車的結(jié)構(gòu)，盡可能減少占用空間，又方便了航天員上下車。人機(jī)交互中控臺(tái)位于正、副駕駛兩個(gè)座椅之間，顯示面板從兩座椅之間轉(zhuǎn)出。顯示面板周圍布置若干個(gè)實(shí)體按鍵，用于對(duì)面板上內(nèi)容的選擇。

顯示面板安裝在一套可伸縮的機(jī)械連桿上。發(fā)射前的初始狀態(tài)下，顯示面板和機(jī)械連桿一同被收納在駕駛員座椅下方，此時(shí)兩塊顯示面板呈展開狀態(tài)，面朝車頭方向（如圖2所示）。月球車使用時(shí)，航天員站在車外即可手動(dòng)打開顯示面板鎖緊裝置；在渦卷簧作用下，曲柄帶動(dòng)兩塊顯示面板從兩座椅間轉(zhuǎn)出；曲柄為可調(diào)節(jié)伸縮桿，沿曲柄軸向調(diào)節(jié)伸縮量即可調(diào)整顯示面板高度，同時(shí)在角度限位器的作用下可調(diào)整顯示面板可視角度（如圖3所示）；最佳高度和角度確定后，航天員手動(dòng)將兩塊顯示面板面對(duì)面折疊，以方便航天員從車輛兩側(cè)上車入座；航天員入座并將自身固定好后，再手動(dòng)將顯示面板展開。

圖2 顯示面板發(fā)射前固定位置Fig.2 Fixed position of the display and control panel before launching

圖3 顯示面板轉(zhuǎn)出及伸縮過程Fig.3 Rotation and expansion process of the display and control panel

2.3 燈光控制

為滿足月球車在月球表面各種不同環(huán)境工作的需求，月球車應(yīng)具備健全的照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)月球車照明燈光進(jìn)行統(tǒng)一管理，并提供自動(dòng)控制和手動(dòng)控制選擇。

自動(dòng)控制狀態(tài)下：光線傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境光的檢測(cè)，并通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析實(shí)現(xiàn)光線亮度的調(diào)節(jié)；照明系統(tǒng)在車輛靜止或低速行駛時(shí)切換為近光模式，在車輛運(yùn)行過程中自動(dòng)切換為遠(yuǎn)光模式（如圖4所示）。在照明系統(tǒng)工作過程中，可通過控制面板按鍵進(jìn)行自動(dòng)/手動(dòng)控制模式的切換，同時(shí)可通過面板按鍵和旋鈕對(duì)照明亮度進(jìn)行手動(dòng)控制。

圖4 照明模式示意Fig.4 Schematic diagram of lighting modes

2.4 操控設(shè)備

駕駛手柄是月球車移動(dòng)的重要操控設(shè)備之一，可以控制4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、2個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)和制動(dòng)器；實(shí)現(xiàn)推桿前進(jìn)、拉桿制動(dòng)（切斷驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源并同時(shí)啟動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器）和左右擺動(dòng)轉(zhuǎn)向，以及激活手柄上的反向開關(guān)實(shí)現(xiàn)倒檔，完全拉回手柄就是手剎。

2.4.1手柄功能設(shè)計(jì)

手柄具有力反饋功能，可使航天員在控制月球車速度時(shí)感覺更直觀，作為配合月球車速度顯示的參考[9]。手柄的力反饋機(jī)構(gòu)采用DELTA機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)性能穩(wěn)定可靠，可以滿足發(fā)射過程中較大程度的振動(dòng)沖擊要求，同時(shí)滿足月球車在崎嶇路面行駛要求[10]；另外該機(jī)構(gòu)有效運(yùn)動(dòng)空間較大，通過設(shè)計(jì)限制其軸線方向的自由度，保留其另外兩個(gè)方向上的平動(dòng)自由度，利用力反饋算法提供實(shí)時(shí)有效的力反饋，能更好地滿足航天員的操控需求[11]。

手柄還具備安全示警功能：當(dāng)月球車距離基地距離超出航天員可步行安全返回基地的距離時(shí)，力反饋手柄可實(shí)現(xiàn)持續(xù)時(shí)間為5 s的連續(xù)抖動(dòng)，為航天員提供感知示警[12]。

2.4.2手柄握持設(shè)計(jì)

駕駛手柄要考慮人體工效學(xué)要求。航天員身著加壓、厚重的艙外航天服手套操作，需要很大的腕力實(shí)現(xiàn)加速和制動(dòng)所需的細(xì)微動(dòng)作。因此，寬大的T型手柄更適合操控。手柄材料采用非金屬材料，手柄外緣設(shè)計(jì)光滑滾花狀結(jié)構(gòu)，增加航天員握持摩擦力，同且對(duì)航天服磨損較小；手柄兩端設(shè)計(jì)圓滑過渡凸起，防止航天員操作時(shí)手從手柄兩端滑脫。

根據(jù)航天員著著艙外航天服手套時(shí)的手部輪廓尺寸，手柄的抓握直徑設(shè)計(jì)為20～30mm，抓握長(zhǎng)度為150～200mm，手柄握持部分距安裝面高度應(yīng)≥65 mm。為便于航天員握持和操作，月球車駕駛手柄設(shè)計(jì)成橢圓形狀，其短軸直徑為22mm，長(zhǎng)軸直徑為26 mm，握持部分長(zhǎng)度為170mm；手柄握持部分距離手柄安裝面100 mm。

通過分析，提出了以下3種手柄設(shè)計(jì)方案，如圖5所示。

圖5 3種手柄設(shè)計(jì)方案Fig.5 Three candidate typesof the handle

2.4.3手柄操控設(shè)計(jì)

月球車的操控手柄采用主備份設(shè)計(jì)，其中：主控手柄為力反饋手柄，可控制月球車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、剎車等[13]；備份手柄為霍爾型設(shè)計(jì)，為副駕駛位置航天員提供操作月球車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、剎車等操作，可替代主控手柄，或與主控手柄協(xié)同完成月球車的運(yùn)動(dòng)控制[14]（如圖6所示）。

圖6 手柄操控示意Fig.6 Sketch of the handle’soperation process

2.4.3.1前進(jìn)模式

1）速度控制

當(dāng)航天員向前推動(dòng)操作手柄時(shí)，月球車前進(jìn)，操作手柄在正前方向的移動(dòng)距離控制月球車的前進(jìn)速度。手柄前向運(yùn)動(dòng)0～3mm 為控制死區(qū)，當(dāng)手柄在該區(qū)域內(nèi)時(shí)，月球車速度為0；手柄前移20mm時(shí)，對(duì)應(yīng)每個(gè)車輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)約50%的占空比，即月球車處于最高速度的50%；當(dāng)手柄前移30mm 時(shí)，月球車前進(jìn)速度最大。當(dāng)航天員手脫離手柄后，月球車保持選定的速度前進(jìn)。

以航天員著艙外航天服撥動(dòng)小型開關(guān)的操作力為依據(jù)，設(shè)計(jì)手柄操作反饋力范圍為3～15 N，可使航天員操作手柄時(shí)有明顯的力反饋觸覺，同時(shí)最大程度減輕航天員操作疲勞。

2）減速和剎車

航天員向后移動(dòng)操作手柄時(shí)為對(duì)月球車進(jìn)行減速和剎車制動(dòng)，手柄反向移動(dòng)距離在3～20mm范圍內(nèi)為月球車減速控制區(qū)域，手柄在該區(qū)域時(shí)可控制月球車逐漸降低速度；在20～30mm 范圍內(nèi)為剎車制動(dòng)。減速和剎車制動(dòng)時(shí)手柄的操作反饋力為15～30 N，該操作反饋力略大于操縱手柄前進(jìn)時(shí)的反饋力，且滿足航天員著艙外航天服操作力需求，可以為航天員的剎車速度提供有效的力反饋，避免月球重力環(huán)境下航天員剎車過快。

3）轉(zhuǎn)向控制

航天員操作手柄向左或向右移動(dòng)來控制月球車向左或向右轉(zhuǎn)向，手柄移動(dòng)距離按比例調(diào)節(jié)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度：在0～3mm 為月球車轉(zhuǎn)向控制死區(qū)；位移在3～20mm 操作反饋力隨位移線性增加，當(dāng)手柄向兩側(cè)移動(dòng)位移約20mm 時(shí)，會(huì)遇到軟停止，需增加一個(gè)5 N 的階躍力，使手柄進(jìn)一步向外移動(dòng)以增加轉(zhuǎn)向角。通過軟停階段后,手柄的操作反饋力隨著手柄的位移線性增加，以使航天員更加合理控制月球車的轉(zhuǎn)彎半徑。

月球車的轉(zhuǎn)向功能必須在車輛速度≤1 km/h時(shí)才能執(zhí)行；當(dāng)車速＞1 km/h 執(zhí)行轉(zhuǎn)向功能，車輛則會(huì)自動(dòng)制動(dòng)。

2.4.3.2后退模式

航天員通過控制臺(tái)上的模式轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)月球車從前進(jìn)模式到后退模式的切換。模式轉(zhuǎn)換開關(guān)的形狀和尺寸均按照航天員著艙外航天服時(shí)手部的尺寸和活動(dòng)范圍設(shè)計(jì)，便于航天員進(jìn)行切換操作。

航天員完成模式切換后，通過向前推操作手柄控制月球車的后退速度，操作手柄的力反饋功能可以使航天員在不觀察顯示面板上的速度顯示的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)月球車倒車速度的觸覺感知。同時(shí)對(duì)月球車后退的最大速度加以限制，保證倒車過程中航天員人身安全。后退模式下的速度控制與前進(jìn)模式下的相同。

3 人機(jī)工效驗(yàn)證

為驗(yàn)證開放式月球車的人機(jī)交互系統(tǒng)是否符合航天飛行人–系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)[15]的人機(jī)工效學(xué)要求，對(duì)涉及到的人機(jī)交互項(xiàng)目進(jìn)行了逐一復(fù)核，建立了指標(biāo)符合性矩陣，如表1所示。驗(yàn)證結(jié)果表明，開放式月球車人機(jī)交互系統(tǒng)方案所涉及的人機(jī)交互項(xiàng)目均滿足航天飛行人–系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求，可以進(jìn)一步開展人機(jī)交互系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

表1 開放式月球車人機(jī)交互系統(tǒng)人機(jī)工效學(xué)符合性驗(yàn)證表Table 1 Ergonomic compliance of the open-roof human-computer interaction system for the lunar rover

4 結(jié)束語

本文在總結(jié)國(guó)外月球車研制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了我國(guó)開放式載人月球車人機(jī)交互系統(tǒng)的功能需求，進(jìn)而提出了“可收納、可對(duì)折式”的顯示面板布局方式，并從顯示面板、燈光控制、操控設(shè)備等方面完成了人機(jī)交互系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。由于開放式月球車上的人機(jī)交互儀表設(shè)備將直接暴露在月球表面的真空、劇烈冷熱交變的極端環(huán)境中，因此下一步工作將重點(diǎn)開展面對(duì)真空低溫環(huán)境應(yīng)用的工效學(xué)設(shè)計(jì)。