唐偉財(cái)，肖 毅，徐鳳剛，王春慧

(中國(guó)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(lái)的登月探測(cè)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(cè)。 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(jiàn)，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?jìng)€(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(jué)、注意、空間知覺(jué)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試?yán)碚撋胁煌晟?，測(cè)試以追蹤任務(wù)為主，缺乏離散類操作任務(wù)的測(cè)試范式，測(cè)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(cè)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(cè)。

目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一套基于手柄操作比較完善的精細(xì)操作能力測(cè)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(guò)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(cè)試任務(wù)和線條填畫測(cè)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(cè)試平臺(tái)，盡可能覆蓋不同遙操作任務(wù)過(guò)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(cè)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(guò)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(cè)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(yǔ)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(cè)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(wú)手柄操作經(jīng)歷、編號(hào)、第幾次測(cè)試等，并選擇實(shí)驗(yàn)測(cè)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(guò)配置文件進(jìn)行編輯。

3)指導(dǎo)語(yǔ)界面：操作方法、注意事項(xiàng)等說(shuō)明。指導(dǎo)語(yǔ)用于告知被試測(cè)試內(nèi)容、測(cè)試方法等信息，應(yīng)簡(jiǎn)潔明了，必要時(shí)可以圖文方式說(shuō)明。

4)訓(xùn)練/實(shí)驗(yàn)界面：用于訓(xùn)練和正式的測(cè)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(guò)單擊鼠標(biāo)或確定按鍵開始正式實(shí)驗(yàn)，每次測(cè)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(cè)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(cè)試，其中離散類運(yùn)動(dòng)分為定向和定點(diǎn)2 種測(cè)試類型。 定向控制模塊測(cè)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(cè)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(cè)試類型。 速度控制模塊測(cè)試通過(guò)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)、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(shuō)明如表1 所示。

圖1 測(cè)試流程圖Fig.1 Flow chart of the test

4 測(cè)評(píng)軟件的應(yīng)用

4.1 實(shí)驗(yàn)流程

每個(gè)模塊的測(cè)試分為測(cè)試講解、訓(xùn)練與正式測(cè)試3 個(gè)步驟。 實(shí)驗(yàn)采集了40 名20 ～40 歲本科以上且沒(méi)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(cè)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(cè)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(cè)試指標(biāo)及變量描述詳見(jiàn)表2。 其中，定向控制模塊考察能否快速、安全地通過(guò)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(zhǎng)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(guò)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(guò)對(duì)各個(gè)模塊中各種類型的績(jī)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(cè)信度檢驗(yàn)

間隔20 天后，對(duì)40 人進(jìn)行重測(cè)，對(duì)前后2 次測(cè)量的測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試軟件各模塊與傳統(tǒng)紙筆測(cè)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(cè)試，志愿者在測(cè)試過(guò)程中上肢沒(méi)有任何承重。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期相同：紙筆填畫測(cè)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(cè)試模塊，與傳統(tǒng)紙筆測(cè)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(cè)試，與傳統(tǒng)紙筆測(cè)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(cè)試上具有良好的效度。

表1 各模塊說(shuō)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(cè)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(jué)、距離知覺(jué)、速度知覺(jué)能力進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表5 所示。 分析發(fā)現(xiàn)：①方向知覺(jué)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(jué)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(jué)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(jué)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(jué)、速度知覺(jué)、距離知覺(jué)等感知覺(jué)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(cè)試模塊。 由此可見(jiàn)，各模塊測(cè)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(guò)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(shuō)明女性在離散運(yùn)動(dòng)的控制方面，與男性無(wú)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(guó)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(jué)水平明顯低于男性駕駛員，這在一定程度上說(shuō)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(jué)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(cè)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(cè)試，綜合控制測(cè)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(cè)試模塊具有良好的內(nèi)部一致性信度、重測(cè)信度，能夠較好地評(píng)測(cè)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(cè)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(jī)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(jī)效邊緣顯著相關(guān)；

3)方向知覺(jué)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(jué)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(jué)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(jī)效，男女無(wú)明顯差異，但男性速度控制和方向控制績(jī)效顯著優(yōu)于女性。