精細(xì)操作能力測試方法設(shè)計(jì)與應(yīng)用

唐偉財(cái)，肖 毅，徐鳳剛，王春慧

(中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京100094)

1 引言

在空間站建設(shè)及未來的登月探測中，存在各種精細(xì)操作任務(wù)，包括手控交會(huì)對(duì)接、在軌機(jī)械臂遙操作，甚至在月球車上也搭載了機(jī)械臂，用于土壤和巖石的取樣、運(yùn)輸與儀器的定向和放置等。 根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，空間遙操作可分為在軌裝配與維修、科學(xué)實(shí)驗(yàn)與載荷服務(wù)、星球表面探測。 空間遙操作包括大范圍轉(zhuǎn)移和精細(xì)操作2 個(gè)操作階段。 由于航天員精細(xì)操作階段出現(xiàn)失誤而引發(fā)的遙操作事故并不少見，因此，精細(xì)操作能力對(duì)于各類空間遙操作任務(wù)都至關(guān)重要。

精細(xì)操作能力指個(gè)體用手或用手操作工具進(jìn)行精細(xì)動(dòng)作或執(zhí)行精細(xì)任務(wù)的能力，控制精細(xì)動(dòng)作的肌肉力量和動(dòng)作的協(xié)調(diào)性、準(zhǔn)確性，是感知覺、注意、空間知覺等心理活動(dòng)的綜合反應(yīng)。手柄的精細(xì)操作能力分離散運(yùn)動(dòng)操作控制能力與連續(xù)運(yùn)動(dòng)控制能力，如手控交會(huì)對(duì)接屬于連續(xù)運(yùn)動(dòng)類操作任務(wù)，機(jī)械臂遙操作屬于離散操作類任務(wù)。 在任務(wù)的不同階段，操作任務(wù)的類型、操作方式也會(huì)有所變化。

不同的操作任務(wù)對(duì)精細(xì)操作控制的要求不同，對(duì)相應(yīng)的測試方法和評(píng)估指標(biāo)的要求也不同。當(dāng)前對(duì)精細(xì)操作能力的測試任務(wù)尚不成體系，但也可分為離散和連續(xù)2 類。 離散類測試任務(wù)包括線條填畫、圖形臨摹及探針走迷宮等，重點(diǎn)考察對(duì)手指、筆等工具的精細(xì)控制；連續(xù)類測試任務(wù)主要為不定運(yùn)動(dòng)追蹤任務(wù)，重點(diǎn)考察對(duì)手柄的精細(xì)控制能力，在兒童、老人、病人、飛行員、航天員等群體都有相關(guān)應(yīng)用。 現(xiàn)有的基于手柄的精細(xì)操作能力測試?yán)碚撋胁煌晟?，測試以追蹤任務(wù)為主，缺乏離散類操作任務(wù)的測試范式，測試范式、指標(biāo)不全面，推廣性有限，針對(duì)性不足。因此，針對(duì)不同任務(wù)的操作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套面向機(jī)械臂遙操作、手控交會(huì)對(duì)接等空間遙操作任務(wù)的精細(xì)操作能力測評(píng)范式，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)包括航天員在內(nèi)等各類操作人員的精細(xì)操作能力的評(píng)測。

目前國內(nèi)外還沒有一套基于手柄操作比較完善的精細(xì)操作能力測試軟件或平臺(tái)。 本文針對(duì)機(jī)械臂遙操作、交會(huì)對(duì)接等離散類與連續(xù)類運(yùn)動(dòng)的手柄操作任務(wù)在精細(xì)操作過程中的任務(wù)特征及對(duì)手柄精細(xì)操作能力的需求，繼承當(dāng)前較為經(jīng)典的不定追蹤測試任務(wù)和線條填畫測試任務(wù)的理念，基于手柄/搖桿的操作方式，設(shè)計(jì)一套面向空間遙操作的精細(xì)操作能力計(jì)算機(jī)測試平臺(tái)，盡可能覆蓋不同遙操作任務(wù)過程涉及的精細(xì)操作類型。

2 軟件結(jié)構(gòu)及組成

軟件的精細(xì)操作能力測試模塊包含離散運(yùn)動(dòng)的定向控制、定點(diǎn)控制和連續(xù)運(yùn)動(dòng)的速度控制、方向控制、綜合控制共5 個(gè)。 可通過綜合管理界面對(duì)這5 個(gè)模塊進(jìn)行綜合管理，進(jìn)入綜合管理界面后可選擇任意模塊進(jìn)行測試。

每個(gè)模塊都應(yīng)具備5 個(gè)界面：個(gè)人信息登陸界面、參數(shù)配置界面、指導(dǎo)語界面、訓(xùn)練/實(shí)驗(yàn)界面、實(shí)驗(yàn)結(jié)束界面。

1)個(gè)人信息登陸界面：用于接收用戶個(gè)人信息。 每個(gè)用戶在進(jìn)入相應(yīng)測試模塊時(shí)需要輸入個(gè)人信息，包括用戶名、年齡、性別、利手、有無手柄操作經(jīng)歷、編號(hào)、第幾次測試等，并選擇實(shí)驗(yàn)測試的操作手。

2)參數(shù)配置界面：用于對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 根據(jù)需要對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。 參數(shù)配置界面信息也可通過配置文件進(jìn)行編輯。

3)指導(dǎo)語界面：操作方法、注意事項(xiàng)等說明。指導(dǎo)語用于告知被試測試內(nèi)容、測試方法等信息，應(yīng)簡潔明了，必要時(shí)可以圖文方式說明。

4)訓(xùn)練/實(shí)驗(yàn)界面：用于訓(xùn)練和正式的測試。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面后，先按照參數(shù)配置情況完成相應(yīng)次數(shù)的訓(xùn)練，之后，用戶通過單擊鼠標(biāo)或確定按鍵開始正式實(shí)驗(yàn)，每次測試開始前都會(huì)有倒計(jì)時(shí)。

5)實(shí)驗(yàn)結(jié)束界面：用于顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)束信息。

每個(gè)模塊都對(duì)應(yīng)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，每次測試完成后，生成的數(shù)據(jù)文件自動(dòng)存儲(chǔ)到指定文件夾中。 具體流程如圖1 所示。

3 軟件平臺(tái)功能

軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)離散類和連續(xù)類運(yùn)動(dòng)的精細(xì)操作能力測試，其中離散類運(yùn)動(dòng)分為定向和定點(diǎn)2 種測試類型。 定向控制模塊測試操控目標(biāo)按照預(yù)期路徑運(yùn)動(dòng)的能力，涉及速度大小、方向的協(xié)同與精細(xì)操控；定點(diǎn)控制模塊測試精細(xì)操控目標(biāo)按照一定方向、角度到達(dá)指定位置的能力，涉及(手柄)方向的穩(wěn)定控制和角度(手柄操作量)的精細(xì)控制等。連續(xù)類運(yùn)動(dòng)分為速度、方向和綜合操作3 種測試類型。 速度控制模塊測試通過精細(xì)操控目標(biāo)的加速度大小從而穩(wěn)步追蹤小球的能力，涉及速度感知、運(yùn)動(dòng)預(yù)測及加速度大小(手柄操作量)的精細(xì)控制等；方向控制模塊測試對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的方向的精細(xì)操控能力，涉及方向的判斷、連續(xù)方向的精細(xì)控制等；綜合控制模塊測試對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)加速度大小、方向的協(xié)同、精細(xì)操控能力，還涉及運(yùn)動(dòng)的預(yù)測、追蹤的策略等多個(gè)方面，綜合考察不定運(yùn)動(dòng)的追蹤能力。 具體每個(gè)模塊的說明如表1 所示。

圖1 測試流程圖Fig.1 Flow chart of the test

4 測評(píng)軟件的應(yīng)用

4.1 實(shí)驗(yàn)流程

每個(gè)模塊的測試分為測試講解、訓(xùn)練與正式測試3 個(gè)步驟。 實(shí)驗(yàn)采集了40 名20 ～40 歲本科以上且沒有手柄操作經(jīng)驗(yàn)的志愿者的有效數(shù)據(jù)，男女各20 人。 測試時(shí)要求被試盡量又好又快地完成實(shí)驗(yàn)。

4.2 評(píng)測指標(biāo)

各模塊結(jié)果由時(shí)間、碰撞次數(shù)等指標(biāo)組成，各模塊測試指標(biāo)及變量描述詳見表2。 其中，定向控制模塊考察能否快速、安全地通過指定路徑，故將碰撞次數(shù)進(jìn)行時(shí)間加權(quán)；定點(diǎn)控制模塊考察位姿的判斷與精細(xì)調(diào)節(jié)，故以碰撞次數(shù)作為考察指標(biāo)；方向控制模塊小球速度恒定，考察連續(xù)運(yùn)動(dòng)中避障等能力，故也以碰撞次數(shù)作為考察指標(biāo)；速度控制模塊考察操控目標(biāo)加速度穩(wěn)定追蹤小球的精細(xì)控制能力，故以目標(biāo)與小球兩者的重合時(shí)間作為考察指標(biāo)；綜合控制模塊考察綜合調(diào)節(jié)加速度大小和方向的能力，能越長時(shí)間保持在方框內(nèi)則方向和加速度大小的調(diào)節(jié)越精確，故以目標(biāo)保持在方框內(nèi)的時(shí)間作為考察指標(biāo)。

4.3 結(jié)果分析

4.3.1 正態(tài)檢驗(yàn)和內(nèi)部一致性信度檢驗(yàn)

通過對(duì)5 個(gè)模塊的指標(biāo)進(jìn)行K-S 非參數(shù)分析，檢驗(yàn)是否符合正態(tài)分布；通過對(duì)各個(gè)模塊中各種類型的績效指標(biāo)進(jìn)行內(nèi)部一致性信度可靠性分析和相關(guān)性分析，檢驗(yàn)每個(gè)模塊的內(nèi)部一致性信度，結(jié)果如表3 所示。

從表3 可以看出，各個(gè)模塊K-S 非參數(shù)分析的顯著性P 值都大于0.05，故各模塊指標(biāo)均服從正態(tài)分布。 各個(gè)模塊的各類指標(biāo)內(nèi)部一致性信度系數(shù)(Cronbach’s Alpha)均大于0.7，而且各項(xiàng)均顯著相關(guān)，P＜0.01，驗(yàn)證了各個(gè)模塊均具有良好的內(nèi)部一致性信度。

4.3.2 重測信度檢驗(yàn)

間隔20 天后，對(duì)40 人進(jìn)行重測，對(duì)前后2 次測量的測試結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表4 所示。 從表可看出，前后2 次測試結(jié)果顯著正相關(guān)，即具有顯著相關(guān)關(guān)系，驗(yàn)證了各個(gè)模塊均具有良好的重測信度。

4.3.3 與線條填畫任務(wù)的相關(guān)性分析

軟件的定向控制模塊在紙筆線條填畫任務(wù)的基礎(chǔ)上，用手柄控制代替鉛筆填畫、用小球的運(yùn)動(dòng)代替線條。 為驗(yàn)證定向模塊的測試效度，對(duì)40 名志愿者中的20 名志愿者進(jìn)行紙筆線條填畫任務(wù)實(shí)驗(yàn)，分析精細(xì)操作能力測試軟件各模塊與傳統(tǒng)紙筆測試之間的相關(guān)關(guān)系。 為模擬手柄控制中涉及手腕、小臂甚至大臂的協(xié)調(diào)控制，紙筆線條填畫任務(wù)采用正坐、在垂直于地面的墻壁上進(jìn)行填畫測試，志愿者在測試過程中上肢沒有任何承重。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期相同：紙筆填畫測試結(jié)果與定向控制 模 塊(Pearson 相 關(guān) 因 子 為0.519， P ＝0.019)、綜合控制模塊(Pearson 相關(guān)因子為-0.475，P ＝0.034)顯著相關(guān)，與定點(diǎn)控制模塊邊緣顯 著 相 關(guān)(Pearson 相 關(guān) 因 子 為0.415，P ＝0.069)。 定向控制模塊和定點(diǎn)控制模塊作為離散類運(yùn)動(dòng)控制能力測試模塊，與傳統(tǒng)紙筆測試之間的顯著相關(guān)關(guān)系，表明2 個(gè)模塊具有良好的內(nèi)容效度。 而綜合控制模塊作為精細(xì)操作能力的綜合測試，與傳統(tǒng)紙筆測試之間的顯著相關(guān)，一定程度上驗(yàn)證了其在精細(xì)操作能力測試上具有良好的效度。

表1 各模塊說明Table 1 Module description

表2 指標(biāo)和變量描述Table 2 Description of indicators and variables

表3 正態(tài)檢驗(yàn)和內(nèi)部一致性信度檢驗(yàn)Table 3 Normality and internal consistency reliability test

表4 重測信度檢驗(yàn)Table 4 Retest reliability test

4.3.4 與基本認(rèn)知能力的相關(guān)分析

對(duì)40 人的方向知覺、距離知覺、速度知覺能力進(jìn)行測試，結(jié)果如表5 所示。 分析發(fā)現(xiàn)：①方向知覺水平與5 個(gè)模塊的精細(xì)操作能力均有顯著相關(guān)關(guān)系，表明方向知覺偏差的大小在一定程度上也能反映精細(xì)操作能力水平的高低；②距離知覺水平與定點(diǎn)、方向和綜合控制模塊有顯著相關(guān)關(guān)系，且與定點(diǎn)控制模塊關(guān)系最為顯著，這與定點(diǎn)控制模塊主要考察相對(duì)位姿的精細(xì)判斷有關(guān)；③速度知覺水平與定向、速度、綜合控制模塊有顯著相關(guān)關(guān)系，且與速度控制模塊關(guān)系最為顯著，這表明速度的感知是速度控制的基礎(chǔ)，與預(yù)期一致。 此外，綜合控制模塊在方向知覺、速度知覺、距離知覺等感知覺能力均顯著相關(guān)，也驗(yàn)證了綜合控制模塊是一個(gè)綜合考察速度、方向協(xié)同操控的測試模塊。 由此可見，各模塊測試內(nèi)容與考察指標(biāo)的設(shè)計(jì)較為合理，達(dá)到預(yù)期效果。

表5 基本認(rèn)知與精細(xì)操作能力相關(guān)分析結(jié)果Table 5 Correlation analysis between basic cognitive and fine operation ability

4.3.5 性別因素分析

通過對(duì)20 名男性和20 名女性受試者進(jìn)行單因素方差分析發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)運(yùn)動(dòng)的方向控制和速度控制方面，男性顯著優(yōu)于女性。 其中，方向控制方面：Leven 統(tǒng)計(jì)量為0.095，P ＝0.760＞0.05，數(shù)據(jù)方差齊性，男女方差分析F ＝6.189、P＜0.05；速度控制方面：Leven 統(tǒng)計(jì)量為0.112，P ＝0.740 ＞0.05，數(shù)據(jù)方差齊性，男女方差分析F ＝6.912、P＜0.05。 說明女性在離散運(yùn)動(dòng)的控制方面，與男性無明顯差距，但在連續(xù)運(yùn)動(dòng)的控制方面，相比男性稍有不足。 國內(nèi)關(guān)于性別在汽車駕駛中的影響也有相關(guān)研究，研究發(fā)現(xiàn)女性駕駛員的速度知覺水平明顯低于男性駕駛員，這在一定程度上說明了連續(xù)運(yùn)動(dòng)中的速度和方向控制能力的性別差異可能與速度知覺方面的能力相關(guān)。 此外，實(shí)驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)連續(xù)類運(yùn)動(dòng)中的綜合控制能力在性別上的差異，可能有以下原因：①當(dāng)綜合考察速度和方向的精細(xì)控制時(shí)，主要考察的是速度和方向兩者之間的協(xié)同操控能力；②綜合控制除了需要對(duì)速度和方向的精細(xì)控制，運(yùn)動(dòng)的預(yù)測及控制策略的選擇也是其中一項(xiàng)重要考察指標(biāo)。 故相比其他2 項(xiàng)連續(xù)類運(yùn)動(dòng)的精細(xì)操作能力測試，綜合控制測試對(duì)精細(xì)操作的要求有所不同，對(duì)性別因素的敏感性也存在差異。

5 結(jié)論

1)本文軟件的5 個(gè)精細(xì)操作能力測試模塊具有良好的內(nèi)部一致性信度、重測信度，能夠較好地評(píng)測操作者的精細(xì)操作能力，對(duì)空間機(jī)械臂操作、手控交會(huì)對(duì)接的人員選拔和精細(xì)操作能力監(jiān)測具有較好的參考意義。

2)定向控制模塊和綜合控制模塊與傳統(tǒng)線條填畫任務(wù)績效顯著相關(guān)，定點(diǎn)控制模塊與傳統(tǒng)線條填畫任務(wù)績效邊緣顯著相關(guān)；

3)方向知覺與5 個(gè)模塊的精細(xì)操作能力均有顯著相關(guān)關(guān)系，距離知覺主要與定點(diǎn)、方向和綜合控制模塊有顯著相關(guān)關(guān)系，速度知覺與定向、速度、綜合控制模塊有顯著相關(guān)關(guān)系；

4)定向控制、定點(diǎn)控制、綜合控制模塊績效，男女無明顯差異，但男性速度控制和方向控制績效顯著優(yōu)于女性。