立体信息不同缺失水平下基本认知能力在遥操作任务中的作用研究

唐伟财，陈善广，2∗，肖 毅，姜国华，田志强

（1.中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京100094；2.中国载人航天工程办公室，北京100720）

立体信息不同缺失水平下基本认知能力在遥操作任务中的作用研究

唐伟财1，陈善广1，2∗，肖 毅1，姜国华1，田志强1

（1.中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京100094；2.中国载人航天工程办公室，北京100720）

针对具体的遥操作任务中与遥操作相关的认知功能在不同立体信息缺失水平下对操作绩效、情境意识水平的影响，对24名受试者开展机械臂遥操作模拟任务实验和6项基本认知能力测试，采用相关性分析方法分析了各项认知能力在遥操作任务中的作用。试验结果表明，空间能力、运动控制能力和持续注意水平与任务的完成率以及操作的安全性、高效性紧密相关；注意分配能力、心理旋转能力在局部立体信息缺失的情境下，对保持机械臂遥对接任务的各项绩效指标的稳定、保障任务的顺利完成作用显著。因此，根据任务要求以及航天员自身特点有针对性地开展认知能力训练，合理分配在轨任务，有利于提高训练效果、保障在轨任务的顺利完成。

遥操作；立体信息缺失；认知能力；情境意识；绩效指标

1 引言

空间站阶段任务中，出舱活动愈加频繁，采用机械臂辅助航天员进行舱外作业成为我国近年研究的重点［1⁃3］。根据NASA报告，航天员进行机械臂遥操作时，机械臂末端摄像头和场景摄像头获取的视频信息是主要的视觉信息来源［4］。面对复杂多变的太空环境，这种视频反馈信息获取方式一方面缺少直接的深度维度的视觉信息，增加操作难度的同时加重航天员的认知负荷［5⁃6］；另一方面，当面临如摄像头失效、光照不足等情形时，操作员为完成任务仅能依靠有限摄像头反馈的空间立体信息进行对接操作，降低了操作安全性［7］。

对机械臂遥操作进行认知任务分析发现，空间能力、运动控制能力、工作记忆能力以及注意等基本认知功能贯穿整个遥操作任务的执行过程，对完成机械臂遥对接任务起到了非常重要的作用。国外针对影响机器人遥操作绩效的基本认知能力展开了大量研究［8⁃11］。其中，MIT的 MVL（Man Vehicle Laboratory）在2007年开始对机械臂遥操作进行研究，重点研究遥操作过程中不同认知功能对操作的影响，包括空间能力对遥操作绩效影响的Menchaca⁃Brandan实验，并尝试用空间能力测试结果评价遥操作绩效，以期望用于航天员选拔和训练［8⁃9］。

目前我国关于机械臂遥操作的研究主要集中在硬件技术发展和软件技术完善阶段，对于机械臂遥操作过程中的认知环节、认知功能、失误操作、技能绩效、评估标准等研究刚起步，相比美国、俄罗斯等还有很大的差距。通过对国外机械臂遥操作与认知能力的相关研究的梳理以及任务的分析可推断，不同认知能力在遥操作中起着不同的作用，对立体信息缺失具有一定的补偿效果。因此，结合传统摄像机视频反馈方式，开展与遥操作相关的基本认知能力在不同立体信息缺失水平下对操作绩效、情境意识水平的影响作用研究，分析各项认知功能在遥操作过程中的影响作用以及各项认知能力对立体信息缺失的补偿作用，对深入剖析机械臂遥操作认知过程有重要意义，对以后航天员训练选拔、在轨任务分配等方面也有一定意义。

本研究基于机械臂遥操作模拟仿真平台，通过调整平台上摄像头的布局构建四种不同水平的空间立体信息缺失场景，结合基本认知能力测试结果，研究在这些场景下遥操作各项指标与基本认知能力的关系。

2 方法

2.1试验任务及平台

试验平台包括机械臂遥操作模拟任务平台和基本认知能力测试平台。

模拟任务平台是基于仿真机器人软件构建的机械臂模拟对接任务平台，能够实现相关数据的采集。被试通过左右手分别控制平移和姿态手柄（莱仕达雷霆PXN⁃2103），操纵机械臂末端在规定精度要求以及时间要求内（240 s）以指定姿态对接入目标对接结构中。每次试验难度（表现为初始距离和角度偏差）设置大体均等。

通过对遥操作任务进行认知任务分析，提取出对遥操作过程影响较大的基本认知能力，构建试验的基本认知能力测试平台，包括注意分配能力、持续注意能力、工作记忆能力、三维视角转换能力、三维心理旋转能力以及运动控制能力共6项测试。工作记忆能力和持续注意能力分别通过经典的2⁃BACK范式［12］和 CPT（Continuous Per⁃formance Task）范式［13⁃14］测量得到；三维视角转换能力通过经典的PSVV（the Purdue Spatial Visual⁃izations Test：Visualization of Views）测试范式［15］测量得到，三维心理旋转能力通过广泛使用的S⁃M测试范式（Shepard和 Metzler，1971）测量得到［16］；注意分配能力指标［17⁃19］和运动控制能力指标［20⁃22］采用自主开发的视觉双任务注意分配能力测试和运动控制能力测试平台进行测量得到。其中，运动控制能力测试指标值越大，则对应的运动控制能力越差，而其他5项基本能力测试指标越大，则代表能力越强。

2.2受试者

本科以上学历、年龄在20～35岁之间的男性24人，右利手，双眼矫正视力4.8以上，无色盲，身体健康且没有任何精神病历史；为保证被试的同质性，被试在培训之前需保证没有接触过相关机械臂模拟操作训练；对被试进行统一的机械臂模拟操作培训，且正式试验前需自主操作训练达10次以上。

2.3自变量水平及因变量

本研究通过采用拉丁方平衡设计［23］对被试试验顺序进行控制，并结合充分的训练控制学习效应的影响。针对立体信息缺失因素，结合摄像头的布局设置了A、B、C、D共4种水平，包含大全局摄像头、末端摄像头和局部近景摄像头3种位置摄像头如图1所示。每个水平下被试进行操作试验5次。

1）水平A：立体信息完全缺失

1个末端摄像头。

2）水平B：局部立体信息缺失（全局信息补偿）

1个末端摄像头＋1个大全局摄像头。

3）水平C：全局立体信息缺失（局部信息补偿）

1个末端摄像头＋1个外部近景摄像头。

4）水平D：立体信息基本完整（全局＋局部信息补偿）

1个末端摄像头＋1个大全局摄像头＋1个外部近景摄像头。

根据NASA通用机器人训练技能评估标准［8］和航天员中心薛书骐等人梳理出的11项绩效指标，结合任务的特性筛选出10项受到信息缺失影响较大的绩效参考指标作为试验的因变量，包括有立体信息四种缺失水平条件下的试验任务对接成功与否、操作时间、末端行走的冗余距离、出现的碰撞次数、到达关节限位位置次数、机械臂临近工作区域次数（close次数）、手柄往复操作次数、多轴操作效率、角度偏差、位置偏差等。此外，情境意识数据（10个维度的SART标准情境意识调查问卷表获取）［24］也作为试验因变量的其中一项。

2.4试验流程

试验主要分成三个部分，第一部分为基本认知能力测试环节；第二部分主要对被试进行机械臂操作技能培训；第三部分为正式的模拟平台操作试验。

基本认知能力测试按心理旋转测试、2⁃back测试、注意分配测试、视角转换测试、持续注意测试、运动控制能力测试顺序进行，避免连续进行同类型测试带来的疲劳影响和情绪波动。采集得到6项基本认知能力测试的绩效数据。

技能培训环节在认知测试结束后进行，主要包括对被试进行机械臂相关知识、试验平台、试验任务、操作方法、注意事项等内容的介绍以及被试在平台上的实践操作，每人操作10次以上。

正式试验在培训后1～3天内进行，被试在4种不同空间立体信息水平下进行试验操作，每种水平操作5次，每种水平试验结束后填写情境意识调查问卷。

3 结果

3.1各项基本认知能力之间的相关分析

分析各项认知能力之间的耦合关系，有利于提高航天员训练的效率。各项认知测试指标的相关分析结果表明：空间能力测试与运动控制指标具有很强的相关关系，其中运动控制指标与心理旋转能力的相关性r值为－0.610（p＜0.01），与视角转换能力的相关性 r值为 －0.471（p＜0.05），即空间能力越强，运动控制能力越强。

3.2认知能力与绩效的关联分析

找出与各项绩效相关的认知能力，为针对不同在轨任务要求选拔航天员，以及有针对性地对航天员进行认知能力训练，提高训练效率，保障在轨任务的安全完成有很重要的意义。

1）视角转换（PSVV）能力与对接绩效的关联分析，结果如表1所示。

其中，A、B、C、D代表立体信息4种水平，综合指4种水平的平均结果与基本认知能力的相关关系。综合来看，视角转换能力和遥对接过程中的碰撞次数呈边缘显著负相关关系，与对接成功率呈正相关关系，且与关节限位次数、平均对接时间、往复操作、多余行走距离以及角度偏差也有不同程度的负相关关系。除此之外，相比其他3种立体信息水平，D水平下PSVV测试与操作绩效表现出非常显著的相关关系。

2）心理旋转（S⁃M）能力和对接绩效的关联分析，结果如表2所示。

表1 视角转换能力和4水平立体信息下绩效指标的相关分析结果Table 1 Correlation analysis between PSVV test and performance indicators under the 4 information levels

表2 心理旋转能力和4水平立体信息下绩效指标的相关分析结果Table 2 Correlation analysis between mental rotation test and performance indicators under the 4 information levels

从四种水平综合影响来看，心理旋转与成功次数呈显著正相关关系，即心理旋转能力越好，对接成功率越高，同时与往复操作、碰撞次数、完成时间、多余行走距离与角度偏差也有不同程度的负相关关系。而对于A水平，心理旋转能力与平均对接时间以及角度偏差有显著的负相关关系。

3）运动控制能力指标和对接绩效的关联分析，结果如表3所示。

表3 运动控制能力指标和4水平立体信息下绩效指标的相关分析结果Table 3 Correlation analysis between motion control test and performance indicators under the 4 information levels

从综合水平分析结果上看，运动控制能力越好，成功率越高，且运动控制能力与对接时间、错误操作、角度偏差等都有显著相关关系；除此之外，运动控制能力与限位操作、多余行走距离、平移位置偏差也有不同程度负相关关系，与多轴操作效率正相关；在局部立体信息补偿后，运动控制能力与位置偏差和close事故的负相关关系更加显著。

4）持续注意（CPT）能力和对接绩效的关联分析，结果如表4所示。

表4 持续注意能力和4水平立体信息下绩效指标的相关分析结果Table 4 Correlation analysis between sustained attention test and performance indicators under the 4 information levels

综合来看，CPT正确率与碰撞次数显著负相关，且持续注意能力与限位次数、对接操作时间、多余行走距离、close次数等也有一定的负相关关系。特别地，在立体信息完整的D水平下，持续注意能力与限位次数有非常显著的负相关关系。

工作记忆（2⁃BACK）能力和对接绩效的关联分析发现，工作记忆能力的高低与对接试验绩效没有表现出非常紧密的相关关系。

注意分配能力和对接绩效的关联分析发现，在局部信息补偿后，注意分配能力与角度偏差有明显负相关关系（r＝－0.377，p＝0.070），而全局信息补偿后，注意分配能力与close次数呈边缘显著负相关（r＝－0.373，p＝0.073）。

3.3认知能力与情境意识之间的相关分析

对基本认知能力与遥操作任务过程中被试情境意识水平进行相关性分析，结果如表5所示。

表5 认知能力与情境意识相关性分析结果Table 5 Correlation analysis between cognitive abilities and situation awareness

从四种立体信息水平综合影响来看，视角转换能力与被试在操作过程中的注意资源的分配水平显著正相关；心理旋转能力同被试在操作过程中接受到的信息质量有很强的相关性；注意分配能力同被试在操作过程中接受的信息数量和感受到的情境复杂度显著正相关；运动控制指标与唤醒水平显著负相关；工作记忆能力与唤醒水平以及被试感受到的情境稳定性显著正相关；持续注意能力和被试感受到的情境的复杂性和变化性以及被试在操作过程中的注意集中程度显著相关。

4 讨论

4.1认知能力与绩效的相关分析

4.1.1 基本认知能力关联分析

由3.1节可知，空间能力越强，运动控制能力越强。在前期的文献调研中发现，空间能力强的人有很强的整体路径的规划和择优选择的能力［10］，能很好地将手柄操作与视图中的场景对应起来，从而促进手柄的精准控制，与运动控制能力表现出显著的内在相关性。

由基本认知能力之间的内在关联分析可知，在对航天员进行其中一项基本能力训练时，适当地加入与之关联的其他认知能力训练有利于提高训练的效果。

4.1.2 空间能力与绩效水平关联分析

由3.2节表1、表2可以看出，空间能力对遥对接任务的完成和操作过程中的各项指标都有比较明显的作用，M.Alejandra等人在模拟空间站对接任务试验中也有类似的结论［10］。特别地，在试验中视角转换能力越强，对末端摄像头的场景的认知能力越好，从而对机械臂末端与对接目标之间的位置关系的认识也更加清楚，碰撞次数越少。心理旋转能力越强，对末端摄像头与对接目标之间的角度关系认识更加清晰，对应的往复操作次数和末端与目标之间的角度偏差则越小，对接成功率越高。此外，在立体信息不足的情况下，根据心理旋转能力和任务时间、角度偏差显著的负相关关系可推断，心理旋转能力的提高对减少任务时间和角度偏差有积极的效果，心理旋转能力能较有效地补偿立体信息、保障机械臂遥对接任务绩效的稳定；进行局部信息补偿后，角度偏差和心理旋转之间的关系相对弱化，进一步说明心理旋转能力和局部立体信息的补偿之间具有一定的耦合作用以及相互补偿的效果。

不仅如此，在立体信息比较完整的水平下，视角转换能力与绩效指标有比较强的关联，说明了立体信息的补偿对于机械臂遥对接任务的其中一个意义是增强了视角变换能力的发挥，从而对遥操作绩效有更加积极的作用。

4.1.3 注意分配能力与绩效水平关联分析

Draper指出操作者的注意分配能力对遥操作过程的沉浸感有很大影响［11］。操作者能否合理分配注意资源到各项关键信息中，对任务场景、情境的认知有积极作用。试验过程中局部信息补偿后，深度信息增多，被试需要对局部摄像头中呈现的机械臂末端与目标之间的相对角度偏差进行判断，同时，需要结合末端摄像头反馈的目标的形状信息对末端与目标间的相对位置关系进行判断。能够越好地将注意资源分配到这两个界面信息中有利于更好地进行最后阶段的姿态、角度调节，因此注意分配能力与角度偏差有明显的负相关关系。而全局信息的补偿，被试还需要实时关注机械臂与外界环境如墙壁等物体之间的位置关系，有利于避免对接任务中间阶段close事故的发生。

4.1.4 运动控制能力与绩效水平关联分析

手柄操作是机械臂遥对接的主要控制输入操作，对手柄微控能力关系到机械臂末端位置和角度偏差的变化以及最终能否成功完成任务，而角度偏差指标与其余各项绩效指标都有显著的相关关系，因此，运动控制能力对机械臂遥操作各项指标有非常重要的影响，对对接任务的安全顺利完成起着关键作用。

4.1.5 工作记忆能力与绩效水平关联分析

工作记忆能力与对接任务的绩效水平没有表现出显著性关系，一方面是因为工作记忆能力主要反应在对接试验后期操作阶段或试验的后几次任务中，而后几次任务的执行又很大程度上受到长时记忆的影响，且统计分析结果是对整个过程的观测，因此，统计结果中没有很好地区分出不同工作记忆能力对遥操作绩效带来的影响。

4.1.6 持续注意能力与绩效水平关联分析

CPT绩效越高，在对接过程中对于每次操作带来的机械臂变化的效果都有较高的警觉性，从而碰撞次数和限位次数以及临近工作空间的次数越少。这种关系在局部信息补偿后表现更加明显，这是因为局部信息的补偿，增加了摄像头的数量，就此项变化而言，一定程度上增加了操作员的情景意识需求和认知负荷，要求操作员能够更加集中注意，努力做到在几个摄像头之间进行快速切换。

将6项基本认知能力和绩效指标中的对接成功次数进行线性回归分析，从得到的标准化回归系数中发现，运动控制能力和心理旋转能力指标对机械臂对接成功率的影响最大。同样对碰撞次数以及其余的绩效指标依次进行回归分析发现：视角转换能力和持续注意能力是影响碰撞次数的两项关键因素，此外，多余行走距离受到视角转换能力的影响最大，而close次数受到持续注意能力影响最大；运动控制能力对限位次数、运动时间、往复操作次数以及多轴操作效率具有主导的影响作用；注意分配、运动控制能力对角度偏差的影响显著。因此可以推断，对受到立体信息缺失影响较大的成功率、碰撞次数、close次数以及角度偏差等绩效指标，提高航天员的运动控制能力、持续注意能力以及空间能力，对减小信息缺失造成的影响有显著的作用。

为验证不同认知能力人群在遥操作任务中的影响作用，根据与对接成功率显著相关的心理旋转基本能力测试成绩，对24个被试进行K均值聚类分组，分为高低能力两组人群。其中高水平人群13人，低水平人群11人，分组具有显著性差异。对两组人群的绩效进行方差分析发现，高水平组的对接成功率显著高于低水平组，且碰撞次数以及错误操作次数要显著少于低水平组，说明该项空间能力对于航天员的选拔有比较明显的指导作用。

4.2认知能力与情境意识水平的相关分析

由3.3节可以知道，心理旋转能力越强，对呈现的视觉信息的理解就更加深刻，在操作过程中能及时为下一步操作获取需要的关键信息，即接受到的信息质量水平更高、信息处理效率更高；而注意分配能力越强，被试在操作过程中能更好地将注意分配到各个摄像头的信息中，对各个摄像头反馈的视频信息的关注范围越广、利用程度越高，整合的信息数量就越充分，感受到情境的复杂度水平也相对更高。这也从情境意识的角度解释了心理旋转能力和注意分配能力能有效补偿立体信息缺失造成的视觉信息不完善带来的绩效影响。

同样，持续注意能力越强，被试的注意集中能力越强，对操作过程手柄操作对应的机械臂的变化观察就越仔细，对机械臂多个关节协调运动的理解就越清晰，因此对情境的复杂度水平和变化性意识就越高。

运动控制和工作记忆能力强的人，在执行任务过程中，更善于对细节进行观察和记忆，对细节变化的意识水平较高，从而在精细控制任务中以及在快速的工作记忆环节表现出较好的成绩，因此，在对接操作过程中，对情境变化能够更加快速地反应以及做出响应，具有更高的情境唤醒水平。

5 结论

本研究在一定程度上揭示了各项基本认知能力在机械臂遥操作过程中的作用。对于机械臂遥操作任务，运动控制能力与工作记忆能力对被试操作过程中的情境意识水平有积极的影响作用，心理旋转能力和注意分配能力有利于操作过程信息的充分获取，持续注意水平则对情境的认知作用明显。空间能力、运动控制能力和持续注意水平对任务的完成以及操作的安全性、高效性有很强的作用；其中运动控制能力越高，操作效率和任务成功率越高，空间能力和持续注意能力对避免事故起到了关键作用。注意分配能力、心理旋转能力在局部立体信息缺失的情境下，对保持机械臂遥对接任务各项绩效指标的稳定、补偿局部信息缺失有较好的效果。后续还需结合相应的认知能力训练，开展更多人次的试验，对比认知能力训练前后遥操作绩效指标的变化情况，对本研究结果进行进一步的验证。

NASA已经把空间能力作为选拔航天员的一项重要指标［8⁃9］［25］。而我国也应该根据不同任务的认知特性要求筛选相应的认知能力作为航天员选拔和训练指标，提高训练的科学性，从而保障在轨任务的顺利完成。

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（责任编辑：庞迎春）

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

国家自然科学基金（71371174）；国家自然科学基金（71201148）；中国航天医学工程预先研究项目（2012SY54A1705）；人因工程重点实验室自主课题（（HF2011⁃Z⁃Z⁃A⁃01）

唐伟财，男，硕士研究生，研究方向为航天人因可靠性。E⁃mail：jipingacai＠163.com