唐偉財，陳善廣，2?，肖 毅，姜國華，田志強(qiáng)

（1.中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實驗室，北京100094；2.中國載人航天工程辦公室，北京100720）

立體信息不同缺失水平下基本認(rèn)知能力在遙操作任務(wù)中的作用研究

唐偉財1，陳善廣1，2?，肖 毅1，姜國華1，田志強(qiáng)1

（1.中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實驗室，北京100094；2.中國載人航天工程辦公室，北京100720）

針對具體的遙操作任務(wù)中與遙操作相關(guān)的認(rèn)知功能在不同立體信息缺失水平下對操作績效、情境意識水平的影響，對24名受試者開展機(jī)械臂遙操作模擬任務(wù)實驗和6項基本認(rèn)知能力測試，采用相關(guān)性分析方法分析了各項認(rèn)知能力在遙操作任務(wù)中的作用。試驗結(jié)果表明，空間能力、運(yùn)動控制能力和持續(xù)注意水平與任務(wù)的完成率以及操作的安全性、高效性緊密相關(guān)；注意分配能力、心理旋轉(zhuǎn)能力在局部立體信息缺失的情境下，對保持機(jī)械臂遙對接任務(wù)的各項績效指標(biāo)的穩(wěn)定、保障任務(wù)的順利完成作用顯著。因此，根據(jù)任務(wù)要求以及航天員自身特點(diǎn)有針對性地開展認(rèn)知能力訓(xùn)練，合理分配在軌任務(wù)，有利于提高訓(xùn)練效果、保障在軌任務(wù)的順利完成。

遙操作；立體信息缺失；認(rèn)知能力；情境意識；績效指標(biāo)

1 引言

空間站階段任務(wù)中，出艙活動愈加頻繁，采用機(jī)械臂輔助航天員進(jìn)行艙外作業(yè)成為我國近年研究的重點(diǎn)［1?3］。根據(jù)NASA報告，航天員進(jìn)行機(jī)械臂遙操作時，機(jī)械臂末端攝像頭和場景攝像頭獲取的視頻信息是主要的視覺信息來源［4］。面對復(fù)雜多變的太空環(huán)境，這種視頻反饋信息獲取方式一方面缺少直接的深度維度的視覺信息，增加操作難度的同時加重航天員的認(rèn)知負(fù)荷［5?6］；另一方面，當(dāng)面臨如攝像頭失效、光照不足等情形時，操作員為完成任務(wù)僅能依靠有限攝像頭反饋的空間立體信息進(jìn)行對接操作，降低了操作安全性［7］。

對機(jī)械臂遙操作進(jìn)行認(rèn)知任務(wù)分析發(fā)現(xiàn)，空間能力、運(yùn)動控制能力、工作記憶能力以及注意等基本認(rèn)知功能貫穿整個遙操作任務(wù)的執(zhí)行過程，對完成機(jī)械臂遙對接任務(wù)起到了非常重要的作用。國外針對影響機(jī)器人遙操作績效的基本認(rèn)知能力展開了大量研究［8?11］。其中，MIT的 MVL（Man Vehicle Laboratory）在2007年開始對機(jī)械臂遙操作進(jìn)行研究，重點(diǎn)研究遙操作過程中不同認(rèn)知功能對操作的影響，包括空間能力對遙操作績效影響的Menchaca?Brandan實驗，并嘗試用空間能力測試結(jié)果評價遙操作績效，以期望用于航天員選拔和訓(xùn)練［8?9］。

目前我國關(guān)于機(jī)械臂遙操作的研究主要集中在硬件技術(shù)發(fā)展和軟件技術(shù)完善階段，對于機(jī)械臂遙操作過程中的認(rèn)知環(huán)節(jié)、認(rèn)知功能、失誤操作、技能績效、評估標(biāo)準(zhǔn)等研究剛起步，相比美國、俄羅斯等還有很大的差距。通過對國外機(jī)械臂遙操作與認(rèn)知能力的相關(guān)研究的梳理以及任務(wù)的分析可推斷，不同認(rèn)知能力在遙操作中起著不同的作用，對立體信息缺失具有一定的補(bǔ)償效果。因此，結(jié)合傳統(tǒng)攝像機(jī)視頻反饋方式，開展與遙操作相關(guān)的基本認(rèn)知能力在不同立體信息缺失水平下對操作績效、情境意識水平的影響作用研究，分析各項認(rèn)知功能在遙操作過程中的影響作用以及各項認(rèn)知能力對立體信息缺失的補(bǔ)償作用，對深入剖析機(jī)械臂遙操作認(rèn)知過程有重要意義，對以后航天員訓(xùn)練選拔、在軌任務(wù)分配等方面也有一定意義。

本研究基于機(jī)械臂遙操作模擬仿真平臺，通過調(diào)整平臺上攝像頭的布局構(gòu)建四種不同水平的空間立體信息缺失場景，結(jié)合基本認(rèn)知能力測試結(jié)果，研究在這些場景下遙操作各項指標(biāo)與基本認(rèn)知能力的關(guān)系。

2 方法

2.1試驗任務(wù)及平臺

試驗平臺包括機(jī)械臂遙操作模擬任務(wù)平臺和基本認(rèn)知能力測試平臺。

模擬任務(wù)平臺是基于仿真機(jī)器人軟件構(gòu)建的機(jī)械臂模擬對接任務(wù)平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。被試通過左右手分別控制平移和姿態(tài)手柄（萊仕達(dá)雷霆PXN?2103），操縱機(jī)械臂末端在規(guī)定精度要求以及時間要求內(nèi)（240 s）以指定姿態(tài)對接入目標(biāo)對接結(jié)構(gòu)中。每次試驗難度（表現(xiàn)為初始距離和角度偏差）設(shè)置大體均等。

通過對遙操作任務(wù)進(jìn)行認(rèn)知任務(wù)分析，提取出對遙操作過程影響較大的基本認(rèn)知能力，構(gòu)建試驗的基本認(rèn)知能力測試平臺，包括注意分配能力、持續(xù)注意能力、工作記憶能力、三維視角轉(zhuǎn)換能力、三維心理旋轉(zhuǎn)能力以及運(yùn)動控制能力共6項測試。工作記憶能力和持續(xù)注意能力分別通過經(jīng)典的2?BACK范式［12］和 CPT（Continuous Per?formance Task）范式［13?14］測量得到；三維視角轉(zhuǎn)換能力通過經(jīng)典的PSVV（the Purdue Spatial Visual?izations Test：Visualization of Views）測試范式［15］測量得到，三維心理旋轉(zhuǎn)能力通過廣泛使用的S?M測試范式（Shepard和 Metzler，1971）測量得到［16］；注意分配能力指標(biāo)［17?19］和運(yùn)動控制能力指標(biāo)［20?22］采用自主開發(fā)的視覺雙任務(wù)注意分配能力測試和運(yùn)動控制能力測試平臺進(jìn)行測量得到。其中，運(yùn)動控制能力測試指標(biāo)值越大，則對應(yīng)的運(yùn)動控制能力越差，而其他5項基本能力測試指標(biāo)越大，則代表能力越強(qiáng)。

2.2受試者

本科以上學(xué)歷、年齡在20～35歲之間的男性24人，右利手，雙眼矯正視力4.8以上，無色盲，身體健康且沒有任何精神病歷史；為保證被試的同質(zhì)性，被試在培訓(xùn)之前需保證沒有接觸過相關(guān)機(jī)械臂模擬操作訓(xùn)練；對被試進(jìn)行統(tǒng)一的機(jī)械臂模擬操作培訓(xùn)，且正式試驗前需自主操作訓(xùn)練達(dá)10次以上。

2.3自變量水平及因變量

本研究通過采用拉丁方平衡設(shè)計［23］對被試試驗順序進(jìn)行控制，并結(jié)合充分的訓(xùn)練控制學(xué)習(xí)效應(yīng)的影響。針對立體信息缺失因素，結(jié)合攝像頭的布局設(shè)置了A、B、C、D共4種水平，包含大全局?jǐn)z像頭、末端攝像頭和局部近景攝像頭3種位置攝像頭如圖1所示。每個水平下被試進(jìn)行操作試驗5次。

1）水平A：立體信息完全缺失

1個末端攝像頭。

2）水平B：局部立體信息缺失（全局信息補(bǔ)償）

1個末端攝像頭＋1個大全局?jǐn)z像頭。

3）水平C：全局立體信息缺失（局部信息補(bǔ)償）

1個末端攝像頭＋1個外部近景攝像頭。

4）水平D：立體信息基本完整（全局＋局部信息補(bǔ)償）

1個末端攝像頭＋1個大全局?jǐn)z像頭＋1個外部近景攝像頭。

根據(jù)NASA通用機(jī)器人訓(xùn)練技能評估標(biāo)準(zhǔn)［8］和航天員中心薛書騏等人梳理出的11項績效指標(biāo)，結(jié)合任務(wù)的特性篩選出10項受到信息缺失影響較大的績效參考指標(biāo)作為試驗的因變量，包括有立體信息四種缺失水平條件下的試驗任務(wù)對接成功與否、操作時間、末端行走的冗余距離、出現(xiàn)的碰撞次數(shù)、到達(dá)關(guān)節(jié)限位位置次數(shù)、機(jī)械臂臨近工作區(qū)域次數(shù)（close次數(shù)）、手柄往復(fù)操作次數(shù)、多軸操作效率、角度偏差、位置偏差等。此外，情境意識數(shù)據(jù)（10個維度的SART標(biāo)準(zhǔn)情境意識調(diào)查問卷表獲取）［24］也作為試驗因變量的其中一項。

2.4試驗流程

試驗主要分成三個部分，第一部分為基本認(rèn)知能力測試環(huán)節(jié)；第二部分主要對被試進(jìn)行機(jī)械臂操作技能培訓(xùn)；第三部分為正式的模擬平臺操作試驗。

基本認(rèn)知能力測試按心理旋轉(zhuǎn)測試、2?back測試、注意分配測試、視角轉(zhuǎn)換測試、持續(xù)注意測試、運(yùn)動控制能力測試順序進(jìn)行，避免連續(xù)進(jìn)行同類型測試帶來的疲勞影響和情緒波動。采集得到6項基本認(rèn)知能力測試的績效數(shù)據(jù)。

技能培訓(xùn)環(huán)節(jié)在認(rèn)知測試結(jié)束后進(jìn)行，主要包括對被試進(jìn)行機(jī)械臂相關(guān)知識、試驗平臺、試驗任務(wù)、操作方法、注意事項等內(nèi)容的介紹以及被試在平臺上的實踐操作，每人操作10次以上。

正式試驗在培訓(xùn)后1～3天內(nèi)進(jìn)行，被試在4種不同空間立體信息水平下進(jìn)行試驗操作，每種水平操作5次，每種水平試驗結(jié)束后填寫情境意識調(diào)查問卷。

3 結(jié)果

3.1各項基本認(rèn)知能力之間的相關(guān)分析

分析各項認(rèn)知能力之間的耦合關(guān)系，有利于提高航天員訓(xùn)練的效率。各項認(rèn)知測試指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果表明：空間能力測試與運(yùn)動控制指標(biāo)具有很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，其中運(yùn)動控制指標(biāo)與心理旋轉(zhuǎn)能力的相關(guān)性r值為－0.610（p＜0.01），與視角轉(zhuǎn)換能力的相關(guān)性 r值為 －0.471（p＜0.05），即空間能力越強(qiáng)，運(yùn)動控制能力越強(qiáng)。

3.2認(rèn)知能力與績效的關(guān)聯(lián)分析

找出與各項績效相關(guān)的認(rèn)知能力，為針對不同在軌任務(wù)要求選拔航天員，以及有針對性地對航天員進(jìn)行認(rèn)知能力訓(xùn)練，提高訓(xùn)練效率，保障在軌任務(wù)的安全完成有很重要的意義。

1）視角轉(zhuǎn)換（PSVV）能力與對接績效的關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果如表1所示。

其中，A、B、C、D代表立體信息4種水平，綜合指4種水平的平均結(jié)果與基本認(rèn)知能力的相關(guān)關(guān)系。綜合來看，視角轉(zhuǎn)換能力和遙對接過程中的碰撞次數(shù)呈邊緣顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與對接成功率呈正相關(guān)關(guān)系，且與關(guān)節(jié)限位次數(shù)、平均對接時間、往復(fù)操作、多余行走距離以及角度偏差也有不同程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系。除此之外，相比其他3種立體信息水平，D水平下PSVV測試與操作績效表現(xiàn)出非常顯著的相關(guān)關(guān)系。

2）心理旋轉(zhuǎn)（S?M）能力和對接績效的關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果如表2所示。

表1 視角轉(zhuǎn)換能力和4水平立體信息下績效指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果Table 1 Correlation analysis between PSVV test and performance indicators under the 4 information levels

表2 心理旋轉(zhuǎn)能力和4水平立體信息下績效指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果Table 2 Correlation analysis between mental rotation test and performance indicators under the 4 information levels

從四種水平綜合影響來看，心理旋轉(zhuǎn)與成功次數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，即心理旋轉(zhuǎn)能力越好，對接成功率越高，同時與往復(fù)操作、碰撞次數(shù)、完成時間、多余行走距離與角度偏差也有不同程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系。而對于A水平，心理旋轉(zhuǎn)能力與平均對接時間以及角度偏差有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3）運(yùn)動控制能力指標(biāo)和對接績效的關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果如表3所示。

表3 運(yùn)動控制能力指標(biāo)和4水平立體信息下績效指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果Table 3 Correlation analysis between motion control test and performance indicators under the 4 information levels

從綜合水平分析結(jié)果上看，運(yùn)動控制能力越好，成功率越高，且運(yùn)動控制能力與對接時間、錯誤操作、角度偏差等都有顯著相關(guān)關(guān)系；除此之外，運(yùn)動控制能力與限位操作、多余行走距離、平移位置偏差也有不同程度負(fù)相關(guān)關(guān)系，與多軸操作效率正相關(guān)；在局部立體信息補(bǔ)償后，運(yùn)動控制能力與位置偏差和close事故的負(fù)相關(guān)關(guān)系更加顯著。

4）持續(xù)注意（CPT）能力和對接績效的關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果如表4所示。

表4 持續(xù)注意能力和4水平立體信息下績效指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果Table 4 Correlation analysis between sustained attention test and performance indicators under the 4 information levels

綜合來看，CPT正確率與碰撞次數(shù)顯著負(fù)相關(guān)，且持續(xù)注意能力與限位次數(shù)、對接操作時間、多余行走距離、close次數(shù)等也有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。特別地，在立體信息完整的D水平下，持續(xù)注意能力與限位次數(shù)有非常顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

工作記憶（2?BACK）能力和對接績效的關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，工作記憶能力的高低與對接試驗績效沒有表現(xiàn)出非常緊密的相關(guān)關(guān)系。

注意分配能力和對接績效的關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，在局部信息補(bǔ)償后，注意分配能力與角度偏差有明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系（r＝－0.377，p＝0.070），而全局信息補(bǔ)償后，注意分配能力與close次數(shù)呈邊緣顯著負(fù)相關(guān)（r＝－0.373，p＝0.073）。

3.3認(rèn)知能力與情境意識之間的相關(guān)分析

對基本認(rèn)知能力與遙操作任務(wù)過程中被試情境意識水平進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表5所示。

表5 認(rèn)知能力與情境意識相關(guān)性分析結(jié)果Table 5 Correlation analysis between cognitive abilities and situation awareness

從四種立體信息水平綜合影響來看，視角轉(zhuǎn)換能力與被試在操作過程中的注意資源的分配水平顯著正相關(guān)；心理旋轉(zhuǎn)能力同被試在操作過程中接受到的信息質(zhì)量有很強(qiáng)的相關(guān)性；注意分配能力同被試在操作過程中接受的信息數(shù)量和感受到的情境復(fù)雜度顯著正相關(guān)；運(yùn)動控制指標(biāo)與喚醒水平顯著負(fù)相關(guān)；工作記憶能力與喚醒水平以及被試感受到的情境穩(wěn)定性顯著正相關(guān)；持續(xù)注意能力和被試感受到的情境的復(fù)雜性和變化性以及被試在操作過程中的注意集中程度顯著相關(guān)。

4 討論

4.1認(rèn)知能力與績效的相關(guān)分析

4.1.1 基本認(rèn)知能力關(guān)聯(lián)分析

由3.1節(jié)可知，空間能力越強(qiáng)，運(yùn)動控制能力越強(qiáng)。在前期的文獻(xiàn)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，空間能力強(qiáng)的人有很強(qiáng)的整體路徑的規(guī)劃和擇優(yōu)選擇的能力［10］，能很好地將手柄操作與視圖中的場景對應(yīng)起來，從而促進(jìn)手柄的精準(zhǔn)控制，與運(yùn)動控制能力表現(xiàn)出顯著的內(nèi)在相關(guān)性。

由基本認(rèn)知能力之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)分析可知，在對航天員進(jìn)行其中一項基本能力訓(xùn)練時，適當(dāng)?shù)丶尤肱c之關(guān)聯(lián)的其他認(rèn)知能力訓(xùn)練有利于提高訓(xùn)練的效果。

4.1.2 空間能力與績效水平關(guān)聯(lián)分析

由3.2節(jié)表1、表2可以看出，空間能力對遙對接任務(wù)的完成和操作過程中的各項指標(biāo)都有比較明顯的作用，M.Alejandra等人在模擬空間站對接任務(wù)試驗中也有類似的結(jié)論［10］。特別地，在試驗中視角轉(zhuǎn)換能力越強(qiáng)，對末端攝像頭的場景的認(rèn)知能力越好，從而對機(jī)械臂末端與對接目標(biāo)之間的位置關(guān)系的認(rèn)識也更加清楚，碰撞次數(shù)越少。心理旋轉(zhuǎn)能力越強(qiáng)，對末端攝像頭與對接目標(biāo)之間的角度關(guān)系認(rèn)識更加清晰，對應(yīng)的往復(fù)操作次數(shù)和末端與目標(biāo)之間的角度偏差則越小，對接成功率越高。此外，在立體信息不足的情況下，根據(jù)心理旋轉(zhuǎn)能力和任務(wù)時間、角度偏差顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系可推斷，心理旋轉(zhuǎn)能力的提高對減少任務(wù)時間和角度偏差有積極的效果，心理旋轉(zhuǎn)能力能較有效地補(bǔ)償立體信息、保障機(jī)械臂遙對接任務(wù)績效的穩(wěn)定；進(jìn)行局部信息補(bǔ)償后，角度偏差和心理旋轉(zhuǎn)之間的關(guān)系相對弱化，進(jìn)一步說明心理旋轉(zhuǎn)能力和局部立體信息的補(bǔ)償之間具有一定的耦合作用以及相互補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

不僅如此，在立體信息比較完整的水平下，視角轉(zhuǎn)換能力與績效指標(biāo)有比較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，說明了立體信息的補(bǔ)償對于機(jī)械臂遙對接任務(wù)的其中一個意義是增強(qiáng)了視角變換能力的發(fā)揮，從而對遙操作績效有更加積極的作用。

4.1.3 注意分配能力與績效水平關(guān)聯(lián)分析

Draper指出操作者的注意分配能力對遙操作過程的沉浸感有很大影響［11］。操作者能否合理分配注意資源到各項關(guān)鍵信息中，對任務(wù)場景、情境的認(rèn)知有積極作用。試驗過程中局部信息補(bǔ)償后，深度信息增多，被試需要對局部攝像頭中呈現(xiàn)的機(jī)械臂末端與目標(biāo)之間的相對角度偏差進(jìn)行判斷，同時，需要結(jié)合末端攝像頭反饋的目標(biāo)的形狀信息對末端與目標(biāo)間的相對位置關(guān)系進(jìn)行判斷。能夠越好地將注意資源分配到這兩個界面信息中有利于更好地進(jìn)行最后階段的姿態(tài)、角度調(diào)節(jié)，因此注意分配能力與角度偏差有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。而全局信息的補(bǔ)償，被試還需要實時關(guān)注機(jī)械臂與外界環(huán)境如墻壁等物體之間的位置關(guān)系，有利于避免對接任務(wù)中間階段close事故的發(fā)生。

4.1.4 運(yùn)動控制能力與績效水平關(guān)聯(lián)分析

手柄操作是機(jī)械臂遙對接的主要控制輸入操作，對手柄微控能力關(guān)系到機(jī)械臂末端位置和角度偏差的變化以及最終能否成功完成任務(wù)，而角度偏差指標(biāo)與其余各項績效指標(biāo)都有顯著的相關(guān)關(guān)系，因此，運(yùn)動控制能力對機(jī)械臂遙操作各項指標(biāo)有非常重要的影響，對對接任務(wù)的安全順利完成起著關(guān)鍵作用。

4.1.5 工作記憶能力與績效水平關(guān)聯(lián)分析

工作記憶能力與對接任務(wù)的績效水平?jīng)]有表現(xiàn)出顯著性關(guān)系，一方面是因為工作記憶能力主要反應(yīng)在對接試驗后期操作階段或試驗的后幾次任務(wù)中，而后幾次任務(wù)的執(zhí)行又很大程度上受到長時記憶的影響，且統(tǒng)計分析結(jié)果是對整個過程的觀測，因此，統(tǒng)計結(jié)果中沒有很好地區(qū)分出不同工作記憶能力對遙操作績效帶來的影響。

4.1.6 持續(xù)注意能力與績效水平關(guān)聯(lián)分析

CPT績效越高，在對接過程中對于每次操作帶來的機(jī)械臂變化的效果都有較高的警覺性，從而碰撞次數(shù)和限位次數(shù)以及臨近工作空間的次數(shù)越少。這種關(guān)系在局部信息補(bǔ)償后表現(xiàn)更加明顯，這是因為局部信息的補(bǔ)償，增加了攝像頭的數(shù)量，就此項變化而言，一定程度上增加了操作員的情景意識需求和認(rèn)知負(fù)荷，要求操作員能夠更加集中注意，努力做到在幾個攝像頭之間進(jìn)行快速切換。

將6項基本認(rèn)知能力和績效指標(biāo)中的對接成功次數(shù)進(jìn)行線性回歸分析，從得到的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)中發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動控制能力和心理旋轉(zhuǎn)能力指標(biāo)對機(jī)械臂對接成功率的影響最大。同樣對碰撞次數(shù)以及其余的績效指標(biāo)依次進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)：視角轉(zhuǎn)換能力和持續(xù)注意能力是影響碰撞次數(shù)的兩項關(guān)鍵因素，此外，多余行走距離受到視角轉(zhuǎn)換能力的影響最大，而close次數(shù)受到持續(xù)注意能力影響最大；運(yùn)動控制能力對限位次數(shù)、運(yùn)動時間、往復(fù)操作次數(shù)以及多軸操作效率具有主導(dǎo)的影響作用；注意分配、運(yùn)動控制能力對角度偏差的影響顯著。因此可以推斷，對受到立體信息缺失影響較大的成功率、碰撞次數(shù)、close次數(shù)以及角度偏差等績效指標(biāo)，提高航天員的運(yùn)動控制能力、持續(xù)注意能力以及空間能力，對減小信息缺失造成的影響有顯著的作用。

為驗證不同認(rèn)知能力人群在遙操作任務(wù)中的影響作用，根據(jù)與對接成功率顯著相關(guān)的心理旋轉(zhuǎn)基本能力測試成績，對24個被試進(jìn)行K均值聚類分組，分為高低能力兩組人群。其中高水平人群13人，低水平人群11人，分組具有顯著性差異。對兩組人群的績效進(jìn)行方差分析發(fā)現(xiàn)，高水平組的對接成功率顯著高于低水平組，且碰撞次數(shù)以及錯誤操作次數(shù)要顯著少于低水平組，說明該項空間能力對于航天員的選拔有比較明顯的指導(dǎo)作用。

4.2認(rèn)知能力與情境意識水平的相關(guān)分析

由3.3節(jié)可以知道，心理旋轉(zhuǎn)能力越強(qiáng)，對呈現(xiàn)的視覺信息的理解就更加深刻，在操作過程中能及時為下一步操作獲取需要的關(guān)鍵信息，即接受到的信息質(zhì)量水平更高、信息處理效率更高；而注意分配能力越強(qiáng)，被試在操作過程中能更好地將注意分配到各個攝像頭的信息中，對各個攝像頭反饋的視頻信息的關(guān)注范圍越廣、利用程度越高，整合的信息數(shù)量就越充分，感受到情境的復(fù)雜度水平也相對更高。這也從情境意識的角度解釋了心理旋轉(zhuǎn)能力和注意分配能力能有效補(bǔ)償立體信息缺失造成的視覺信息不完善帶來的績效影響。

同樣，持續(xù)注意能力越強(qiáng)，被試的注意集中能力越強(qiáng)，對操作過程手柄操作對應(yīng)的機(jī)械臂的變化觀察就越仔細(xì)，對機(jī)械臂多個關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動的理解就越清晰，因此對情境的復(fù)雜度水平和變化性意識就越高。

運(yùn)動控制和工作記憶能力強(qiáng)的人，在執(zhí)行任務(wù)過程中，更善于對細(xì)節(jié)進(jìn)行觀察和記憶，對細(xì)節(jié)變化的意識水平較高，從而在精細(xì)控制任務(wù)中以及在快速的工作記憶環(huán)節(jié)表現(xiàn)出較好的成績，因此，在對接操作過程中，對情境變化能夠更加快速地反應(yīng)以及做出響應(yīng)，具有更高的情境喚醒水平。

5 結(jié)論

本研究在一定程度上揭示了各項基本認(rèn)知能力在機(jī)械臂遙操作過程中的作用。對于機(jī)械臂遙操作任務(wù)，運(yùn)動控制能力與工作記憶能力對被試操作過程中的情境意識水平有積極的影響作用，心理旋轉(zhuǎn)能力和注意分配能力有利于操作過程信息的充分獲取，持續(xù)注意水平則對情境的認(rèn)知作用明顯。空間能力、運(yùn)動控制能力和持續(xù)注意水平對任務(wù)的完成以及操作的安全性、高效性有很強(qiáng)的作用；其中運(yùn)動控制能力越高，操作效率和任務(wù)成功率越高，空間能力和持續(xù)注意能力對避免事故起到了關(guān)鍵作用。注意分配能力、心理旋轉(zhuǎn)能力在局部立體信息缺失的情境下，對保持機(jī)械臂遙對接任務(wù)各項績效指標(biāo)的穩(wěn)定、補(bǔ)償局部信息缺失有較好的效果。后續(xù)還需結(jié)合相應(yīng)的認(rèn)知能力訓(xùn)練，開展更多人次的試驗，對比認(rèn)知能力訓(xùn)練前后遙操作績效指標(biāo)的變化情況，對本研究結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的驗證。

NASA已經(jīng)把空間能力作為選拔航天員的一項重要指標(biāo)［8?9］［25］。而我國也應(yīng)該根據(jù)不同任務(wù)的認(rèn)知特性要求篩選相應(yīng)的認(rèn)知能力作為航天員選拔和訓(xùn)練指標(biāo)，提高訓(xùn)練的科學(xué)性，從而保障在軌任務(wù)的順利完成。

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（責(zé)任編輯：龐迎春）

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

國家自然科學(xué)基金（71371174）；國家自然科學(xué)基金（71201148）；中國航天醫(yī)學(xué)工程預(yù)先研究項目（2012SY54A1705）；人因工程重點(diǎn)實驗室自主課題（（HF2011?Z?Z?A?01）

唐偉財，男，碩士研究生，研究方向為航天人因可靠性。E?mail：jipingacai＠163.com