面向空间机械臂遥操作任务的客观绩效指标分析

薛书骐，王春慧，蒋 婷，田志强，姜国华

面向空间机械臂遥操作任务的客观绩效指标分析

薛书骐，王春慧，蒋 婷，田志强，姜国华∗

（中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京100094）

面向空间站背景下的机械臂遥操作任务，总结并提出了11项操作者在手柄操作中的客观绩效指标，基于机械臂遥操作仿真平台进行了机械臂转移对接操作实验。实验结果表明：提供数值信息对多项操作绩效指标有提升作用，4摄像机布置方案在到达关节限位次数指标上优于2摄像机布置方案；关节限位次数、错误操作次数、手柄控制效率等几项指标，可以预测是否能够成功完成对接任务。提出的手柄控制效率指标能够预测操作用时以及到达限位位置风险等核心指标，可用于综合评价实验任务中人的操作效率。

遥操作；机械臂；绩效指标；工效学

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

空间站机械臂，在国际空间站的运营维护和执行任务中发挥着重要作用［1］，其主要功能包括辅助航天员进行出舱活动、辅助进行目标航天器与空间站的交会对接、舱段转位、捕获目标飞行器、舱外状态巡检等［2］。在我国未来空间站规划中，机械臂是其重要组成部分，是空间站建设和维护的关键装备［3］。

对机械臂的远程操控，虽然有计算机自动化操作的支持，但操作者（航天员）通过观察人机界面（Human-Computer Interface， HCI）上的信息进行人工控制的遥操作模式仍然必不可少［4］。通过分析、提炼有效客观的操作绩效指标，能有效评价人员操作水平［5］，进而有针对性地改善机械臂系统设计，可以提升操作成功率和操作效率，降低安全风险。

在机械臂遥操作模式下，操作者主要依靠安装在机械臂上的局部摄像机和安装在空间站舱体上的全局摄像机所拍摄的图像信息，获得对机械臂外部作业环境的感知［6］，操作过程中需要对多个局部（随动）和全局（固定）摄像机所提供画面的认知加工和空间想象［7］。除了直观的图像信息以外，操作者还需要综合关注机械臂的其他运行状态信息。所以，机械臂遥操作任务是一项考验操作者综合认知和操作能力的复杂任务，对其操作水平的评价，也成为了训练中的重要问题［8］。

国际空间站机械臂系统近20年来的训练实践，主要依靠NASA训练师的主观评价对受训操作者的作业进行观察，查看其对特定技能掌握的情况，并进行打分［5］。其主观评价方法形成了一套通用机器人训练（Genetic Robotic Training，GRT）手册［9］，表1节选了其中部分技能及技能标准。对GRT而言，虽然其标准中有客观的部分，如是否出现碰撞、到达关节限位次数等，但主要还是依靠训练师的主观意见，这不利于评价标准化，也不利于受训者进行自学。

表1 NASA远程机器人训练评价手册（GRT）标准（节选）Table 1 NASA GRT standards （excerpts）

除了NASA的研究，多年来亦有多位研究者对机器臂遥操作的客观绩效指标进行过探索，如Fry等人［10］在旨在向NASA机器人操作训练提供可靠评价指标的研究中，提出并验证了平顺操作输入和多轴操作输入两种有效指标；Lamb和Owen［11］在空间站机械臂仿真条件下进行了负载运动的操作实验，选取了任务完成时间、操作失误数和控制偏移程度几项绩效指标；Akagi等［12］在3自由度单监视器实验条件下选取了完成时间、正确操作次数、行走距离等6项绩效指标。但国外相关研究并未把客观操作绩效本身当作集中分析讨论的目标，且其实验任务多集中在机械臂移动（fly-to）任务，并未针对机械臂末端的精细操作任务进行绩效研究。

面向空间站背景，以及其他应用环境下的机械臂遥操作任务，本文结合实验任务特点，梳理并提出了多项操作绩效指标。在机械臂遥操作仿真实验平台上进行模拟机械臂末端对接目标物的操作实验，采集各项指标；通过分析不同实验条件下各指标差异的显著性和关键指标间的相关性，寻找影响操作成功率和安全性的关键要素；并验证本文提出的指标的有效性。

2 机械臂遥操作任务的绩效指标

本文在梳理上述研究的基础上，面向空间站机械臂手柄遥操作的任务特点，针对机械臂末端对接目标物的操作任务，共提出11项客观操作绩效，见表2。其中，本文提出了8—11四项操作效率指标。

指标8能够反映操作者观察摄像机图像，进行空间坐标系转换的认知能力，错误操作越少，反映操作者对目标方位和机械臂末端方位的认识越准确；9对应机械臂末端在平移三个自由度上行走的效率，这个值越高，说明单位时间内走的距离越多，也就是操作者操作更顺畅；10和11对应两个手柄的操作效率，它们的值越低，说明弥补单位偏差的手柄操作量越少。在实验研究中将会对这些指标的有效性进行验证和分析。

表2 机械臂手柄遥操作客观绩效指标（共11项）Table 2 Objective performance metrics of manipulator operation with hand controllers

3 方法

3.1 实验平台

在V-REP PRO仿真机器人软件平台上，构建如图1所示的实验场景。机械臂基于沈阳新松SR6C型工业机器人进行仿真建模，该机械臂共有6关节，保证机械臂末端能以6自由度（3个平移自由度和3个姿态自由度）在工作空间内进行运动，这和空间站机械臂主要人控操作模式是类似的。实验中被试操作者需要观察虚拟摄像头提供的图像信息，通过控制左右手两个操作手柄（莱仕达PNX-2103型），以机械臂末端坐标系为控制坐标系，进行仿真遥操作。

3.2 受试者

选择16位受试者进行实验操作。受试者均为男性，右利手，平均年龄24.4（标准差s＝±1.5）岁，在实验之前均无机械臂遥操作经验，需要进行同质的试前培训。

3.3 实验任务

通过对空间站机械臂遥操作任务模式分析，本文设置操作任务如下：如图1所示，在仿真实验场景中机械臂末端上安置了1个十字形对接机构（用颜色标记其方向），在机械臂工作可达域内设置了两个立方体对接目标块，目标块上各开设了3个十字槽；每次操作任务，系统会在6个十字槽对接面上随机选取一个，并用颜色标记，即为当前操作任务对接目标；操作者需要在规定时间内（240 s）操作机械臂，使末端十字机构以颜色标记相对应的姿态插入选定的对接槽（对接成功条件是平移相对偏差小于0.004 m，姿态偏差小于4°），则操作成功，否则视为失败。如果在操作中出现机械臂关节到达限位位置，或机械臂与外界产生碰撞，系统会弹出警告，要求操作者将机械臂调整到合理位置，再继续进行操作。

图1 仿真实验场景Fig.1 The simulated experimental scene

在受试者操作手柄控制机械臂执行本实验设定的对接任务时，实际上经过两个操作阶段：第一阶段是监视摄像机图像（主要是全局摄像机），操作机械臂使对接目标面出现在末端局部摄像机的视野中；第二阶段是主要依靠局部摄像机图像，以及数值信息的辅助（当提供时），调整末端的位置和姿态，完成对接的精细操作。

实验设置中末端运动速度保持匀速，难度（表现为初始距离和角度偏差）设置大体均等。

3.4 实验设计

每位受试者在正式实验前接受同等水平和流程的培训。

实验设计为两因素两水平组内实验，两种因素分别为是否有数值信息辅助和虚拟摄像机的安置数量（2或4），具体界面布局如图2所示。

图2 四种不同的HCI方案设置Fig.2 Four layout plans of HCI

其中数值信息提供末端与目标的6自由度相对偏差、六个关节各自当前所处的角度和角度位限、任务进行时间以及其他次要信息。在2摄像机的条件下，1个为末端的随动（局部）摄像机，1个为能够观察到全部6个对接面的固定（全局）摄像机；4摄像机条件下，除了前面2个，再提供能分别从另一个角度观察两个对接目标立方体的全局摄像机，由于每次任务的对接目标只有一个，在4摄像机设置中，实际上只有3个摄像机起作用。

根据吴旭等人的注意力分配理论［13］，操作者在操作中关注的信息不宜超过4项，在有数值+4摄像机实验条件下，由于只有3摄像机起作用，达到了这个临界值。

实验假设认为提供数值信息和3有效摄像机的方案能够帮助操作者提高操作绩效。

16位受试者在4种界面设置条件下各进行2次对接操作。为避免学习效应，实验顺序采用拉丁方平衡设计。实验平台记录受试者的操作数据，后期按照表2的要求整理成相应绩效指标。

4 结果

对11项指标进行多因素方差分析的明，有数值叠加辅助信息条件下的实验绩效（除末端运动效率一项外）普遍优于无数值叠加的实验绩效，其中是否成功、碰撞次数、对接时间、平移手柄操作效率、姿态手柄操作效率等5项指标有显著性差异（p＜0.05）。4摄像机条件下的多数绩效指标均优于2摄像机条件，但除了到达关节限位次数（方差分析F值及显著度F＝4.299，p＝0.040）一项外，总体上各绩效指标间没有表现出统计学意义上的显著性差异。分析两种因素间交互作用的结果表明，交互作用对末端运动效率产生了显著影响（F＝4.690，p＝0.032）。在分析中产生了显著性差异的7项指标见表3。

表3 4种实验条件下有显著性差异操作绩效指标的比较Table 3 Comparison of performance metrics（with significant difference） under 4 different experimental conditions.

所有操作的总体成功率为73.17%。分别比较成功组和失败组之间其余的10项绩效数据，通过显著性分析发现，除了碰撞次数、多轴操作比率和末端运动效率外，成功组各项指标均显著优于（p＜0.003）失败组。分别对操作成功和失败的样本进行组内2×2的多因素方差分析，发现在对接成功的操作中，是否有数值对碰撞次数、角度精度和姿态手柄操作效率产生了显著影响（p＜0.026），成功和失败条件下的这3项指标对比条形图见图3；而摄像机布置仅对碰撞次数产生显著影响（F＝5.417，p＝0.022）。在对接失败的操 作中，实验因素对操作绩效的影响都不显著。

图3 四种实验条件下3项绩效指标水平（碰撞次数、角度精度、姿态手柄操作效率）的比较Fig.3 Comparison of the metrics （times of collision， angle accuracy， efficiency of attitude hand controller operation）under 4 experimental conditions

对是否对接成功、碰撞次数、关节限位次数、对接时间等4项重要的绩效指标，用其他的对接效率指标与它们做相关分析，以此找到对重要指标影响最大、相关性最密切的效率指标，其结果如表4所示。观察表中相关性分析的具体结果可以发现，对于成功与否这项在本实验中最为重要的绩效指标，各指标都与其显著相关；对两项安全性指标（碰撞次数与关节限位次数，见表2），效率指标并不能很好预测碰撞次数，说明这项指标相对独立，但末端运动效率和姿态操作效率两项指标与到达关节限位次数相关性显著；而对本实验中较为重要的对接时间指标，各项效率指标都与其显著相关。

表4 与关键绩效指标相关性最显著的其他指标Table 4 The most correlated other indexes to the key performance metrics

5 讨论

5.1 实验因素影响

受试者主要关注的数值信息是相对位姿偏差信息。对提供数值信息的操作，受试者一般在进入第二操作阶段（见实验任务）后会开始关注数值，控制机械臂末端位姿使之满足预设的对接条件，即可对接成功，故有数值情况下的对接成功率显著较优（F＝4.545，p＝0.035）。而本实验中的碰撞基本全部发生在精细对接阶段，在位姿偏差信息的辅助下，受试者能够判断是否有碰撞风险并进行规避，所以有数值的情况使碰撞次数出现显著减小（F＝5.214，p＝0.024）；偏差数值信息也能帮助受试者判断当前手柄操作的正误，即如果相对偏差的绝对值在减小，一般说明当前手柄操作的方向是正确的，所以手柄操作绩效指标显著较优（F＝4.043，p＝0.047；F＝7.015，p＝0.009）。

如前文所述，摄像头布置主要起作用于第一操作阶段。4摄像机（3有效摄像机）的设置方案中，受试者能够（比数值）更直观地判断机械臂几个关节是否有到达限位位置的风险，所以使这项指标出现了显著（F＝4.299，p＝0.040）优化。但在本实验任务中，同2摄像头布置方案相比，4摄像机方案虽然在多数绩效指标相对较优，但并没有产生统计学意义上的显著影响；说明在本实验设置下，多摄像机观察并未对绩效指标产生决定性的影响，这可能是由于末端摄像机视角在末端坐标系控制模式中起到了极为关键的作用，而增加的辅助摄像机相对的重要性就出现了下降，从而对任务绩效的影响也相对降低［14］。

在数值和摄像头两种因素的交互作用下，末端运动效率指标出现了显著差异（F＝4.690，p＝0.032）。这说明在操作的第一阶段，对相对偏差信息的理解和对多摄像头协同观察的理解产生了相互作用；两种信息同时给出会造成某种程度的信息过剩，造成受试者注意力分配的困难［13］，导致认知负担增加，绩效出现下降。

5.2 绩效指标分析

根据任务分析，实验因素分析，以及绩效指标间相互关系分析的结果，分别讨论各项（各组）绩效指标。

1）对接成功以及对接时间。对接是否成功，不仅是本实验，也是包括空间站以及其他应用背景下的机械臂遥操作任务的核心指标。在本实验中对接时间的长短和对接精度只有在任务成功的条件下才有意义，所以没有考虑这3项指标对成功与否的相关性。关节限位次数对是否能成功产生了显著影响（见表3），这是由于到达限位需要受试者做复杂的操作判断，以解除不安全状态，这将耗费较长的操作时间。而本文提出的操作效率指标，尤其是错误操作次数，以及两项手柄操作效率指标，能够反映受试者高效的操作，故对成功与否，以及操作用时长短有明显的预测作用。

2）安全性指标。在实际机械臂操作中产生与目标或障碍物的碰撞都是不可接受的危险行为，在本实验中各效率指标与碰撞相关关系较弱（见表3），说明碰撞要作为相对独立的指标加以考察。另一项指标关节限位次数也是机械臂操作中的重要考察指标［9］，到达限位位置次数越多，越容易对硬件系统造成潜在损伤。避免这一不良状态，主要依靠操作者保持良好的情境意识［15］，而这也间接体现到良好的操作效率上（见表3），末端运动效率以及手柄操作效率都同关节限位次数显著相关。

3）错误操作次数与多轴操作比率。这两项指标是较为经典的机械臂遥操作效率指标，在GRT 和相关研究［9，11-12，15］中已有体现，在不同操作任务的背景和指标定义下起到了评价操作效率的作用。在本实验任务中，错误操作次数可以有效预测是否成功、对接时间、关节限位次数等重要指标，体现了操作者对手柄操作的熟练程度，以及对情境信息理解的正确程度。而多轴操作效率并没有表现出显著的预测性，说明在本实验的任务设置下这项绩效指标效用较低。

4）末端运动效率。该指标主要在任务的第一阶段起作用，受实验2个因素交互作用的影响。该指标体现了受试者进行手柄操作的流畅性，也就反映了操作者进行判断决策的连续性，故该指标对两项安全性指标和对接时间的长短有着显著的预测效果（见表4）。

5）手柄操作效率指标。本文提出的两项手柄控制指标（见表2）反映了操作者在任务的整个阶段通过图像进行情境感知、操作手柄和完成任务的能力水平。在相对同等的难度下，操作量越少，说明效率越高，操作越准确。这两项绩效也同对接是否成功、对接时间长短、以及关节限位次数等重要指标显著相关（见表4），说明通过对该项手柄操作客观绩效指标的针对性训练能提高任务表现，在今后的机械臂遥操作人员训练中，可以作为参考标准。

6 结论

面向空间站机械臂遥操作应用背景，本文通过对已有操作绩效的归纳梳理和对实验任务的分析，分析并提炼了11项有针对性的机械臂遥操作绩效指标。通过是否有数值、2或4个摄像机布置的仿真操作实验，收集了这些绩效指标，通过绩效数据分析，在本实验任务条件下，得到如下结论：

1）有数值辅助信息对是否能够对接成功、碰撞次数，以及多项操作效率绩效指标有提升作用；4摄像机图像条件下，能有效减少机械臂到达关节限位位置的次数。故本实验条件下带数值信息辅助的4摄像机布置界面是较优的HCI设计方案。

2）关节限位次数、错误操作次数、手柄控制效率等几项指标，可有效预测是否能够成功完成对接任务；碰撞次数指标相对独立于各项效率指标，应单独考察。

3）本文提出的3项操作效率绩效指标（末端运动效率和平移、姿态手柄操作效率），能够预测是否成功、到达限位位置风险以及对接时间等核心指标，可以用于综合评价实验任务中人的操作效率，指导操作训练。

后续研究可以在本文基础上通过已有的客观指标，建立评价面向空间站机械臂遥操作绩效的定量计算模型；可以进一步分析绩效指标背后操作者的情境意识，以及情境意识与绩效间的相互关系。

（References）

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（责任编辑：龙晋伟）

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

装备预研基金（9140C770202150C77317）；人因工程国防科技重点实验室预研基金（9140C770205150C77319）；试验技术研究青年基金项目（2015SY54C0703）

薛书骐，男，硕士，研究实习员，研究方向为航天人因工程、遥操作系统。E-mail：xavierxuper＠163.com

∗通讯作者：姜国华，男，硕士，研究员，研究方向为航天人因工程、航天器系统工程。E-mail：jgh_isme＠sina.com