影響空間機械臂遙操作任務績效的關鍵因素研究

周曉艷，黃偉芬*，馮靜達，劉 峰，王焰磊，張 相，姚 志，鄭 劍，趙 靜

（1.中國航天員科研訓練中心，北京 100094； 2.航天工程大學宇航科學與技術系，北京 101416）

1 引言

中國空間站配備了2 種空間機械臂：核心艙機械臂和實驗艙機械臂，其中核心艙機械臂規模大且承載能力強，能夠完成大負載搬運、大范圍轉移、艙段轉位對接等任務；實驗艙機械臂靈活小巧，能夠完成載荷安裝等精細化操作任務［1-2］?？臻g機械臂通常采用在軌遙操作和地面遙操作相結合的方式完成控制，隨著遙操作、力反饋等技術日趨成熟，具有高度臨場感的手動控制模式（簡稱手控），可用于機械臂的實時遙操作，解決空間動態復雜不確定任務作業的操作難題［3］。

在目前執行的數次空間站飛行任務中，航天員對手控機械臂完成末端操作任務進行了技術驗證，手控方法包括點動控制、手柄控制、多關節聯動控制以及預編程控制等，不同控制方法適用的任務情境各有差異，對航天員能力要求也不盡相同［4］?？紤]到載人登月任務和深空探測任務的進一步發展，航天員會面臨更多復雜工況下的空間機械臂操作，基于操作者對于輸入信息認知和判斷的機械臂手控遙操作是空間機械臂必不可少的操控方式。

機械臂操作任務研究通常采用機械臂移動（Fly-to）模型［5］和捕獲（Target Acquisition）模型，本質上都是對機械臂末端作用器在三自由度（3-DOF）至六自由度（6-DOF）維度上進行平移或姿態偏差調整的模型［6］。薛書騏等［7］研究了機械臂手柄操作中的11 項客觀績效指標，發現引入數值信息對多項指標有提升作用，手柄控制效率指標能夠預測操作用時以及到達限位位置風險等核心指標。Akagi 等［8］在三自由度實驗條件下研究了任務時間、矯正時間、運動距離、反向運動距離、最大單軸速度、多軸運動時間比例等6 項績效指標；Forman 等［9］研究了運動時間、多軸運動占比、操作流暢度等多項客觀績效指標，用于機械臂操作訓練的績效評估；Lamb 等［10］在基于虛擬現實的航天飛機遙操作仿真平臺上進行手控操作實驗，研究了任務時間、路徑效率、操作失誤、控制偏移程度等4 項績效指標。國外研究重點關注各項績效指標的優化和綜合評價，缺乏對人的能力和績效指標之間關系的探討和研究［11］。

本文根據空間機械臂遙操作實際需求，選取了安裝艙外全景相機的典型案例，考慮了六自由度的偏差調整模型，并且根據偏差程度來具體劃分任務難度，更加符合空間站任務實際工況。本文從操作層面選取了3 種典型的機械臂手控方法，根據輸入方式不同概括為指令、手柄和參數控制方法。其中，指令控制方法通過選取運動指令并發送的方法完成運動控制，手柄控制方法通過操作一對平移和姿態手柄完成運動控制，參數控制方法通過運動參數輸入并發送的方法完成運動控制。

影響機械臂手控遙操作績效的因素有很多，結合國內外操作經驗和實例分析，發現控制方法、任務難度和技能水平是關鍵影響因素。本文針對控制方法、任務難度和技能水平開展了實驗研究，通過客觀績效指標來定量分析影響情況。將Endsley［12］的情境意識理論融入到機械臂遙操作績效指標研究中。情境意識理論定義了人對環境中各情景要素從感知到理解，再到預測的三階段認知狀態。本文根據操作者手控機械臂的人機交互過程［13］，建立操作者從觀察和感知，到判斷和預測，再到決策和操作的完整流程，并通過6 項客觀績效指標對應流程中的各個環節，客觀量化地反映操作者的能力水平，為航天員訓練和評估、在軌操作任務設計提供參考依據。

2 方法

2.1 客觀績效指標

通過分析空間機械臂手控操作的特點，對機械臂手控操作過程和結果進行描述，提出了6 個可量化的客觀績效指標，如表1 所示。

表1 機械臂遙操作客觀績效指標Table 1 Objective performance metrics of manipulator teleoperation

失誤率是單次任務中的平均碰撞次數，值越小安全性越高，能夠反映操作者的安全意識和提前預判危險的能力；操作效率是操作者單位時間的操作次數，值越大頻次越高，可反映操作者的操作能力；有效操作比率是正確方向上的操作占比，值越大有效率越高，可反映操作者的判斷能力；復合操作比率是多維度操作占比，值越大效率越高，可反映操作者的空間認知能力；位置操作精度和姿態操作精度分別是位置和姿態達到目標要求的占比水平，值越大精度越高，可反映操作者的任務完成精度水平。

2.2 志愿者與實驗分組

招募24 名志愿者（男性20 名、女性4 名），年齡25～40 歲，具有本科及以上學歷，無空間機械臂操作經驗，右利手，無色盲。根據空間認知能力測試成績將志愿者平均分為2 組，每組12 名。對2 組志愿者進行有差別培訓，2 組的技能水平差別是由差別化培訓產生，區分為實驗組和對照組，培訓情況見實驗流程。

2.3 實驗設備

基于空間機械臂遙操作三維仿真平臺開展空間機械臂手控遙操作任務，設備包括操作平臺、筆記本電腦、顯示器等。實驗平臺記錄機械臂末端位置偏差、姿態偏差、操作完成時間、各方向操作次數等數據。筆記本電腦提供機械臂三維位姿顯示和碰撞預警提示。顯示器顯示當前目標物體位置和姿態情況。

2.4 實驗任務

選取空間站某全景相機作為參考目標，志愿者通過觀察機械臂末端相機仿真圖像（圖1），操控機械臂末端運動至參考目標附近，當仿真圖像中參考目標呈現出目標位姿狀態時視為任務完成。參考目標右側靠近太陽帆板，操作機械臂接近時有一定碰撞風險。實驗任務設計兼顧了機械臂轉移和精細調整等操作要求。實驗任務有3 個作業點（作業點1、2、3），分別對應低、中、高3 種初始難度偏差，綜合考慮機械臂末端定位精度等因素，在平移偏差累計上限為0.3 m，姿態偏差累計上限為20°的偏差范圍內進行設計，如表2所示。

圖1 全景相機仿真圖像Fig.1 The simulated images of the panoramic camera

表2 低、中、高3 種難度的任務初始偏差設計參數Table 2 Design parameters for initial deviation of tasks with low，medium and high difficulties

2.5 實驗流程

①空間認知能力測試。采用經典的Vandenberg 心 理 旋 轉 測 試（Mental Rotation Test，MRT）［14］實驗范式對全部志愿者進行測試。②理論培訓。對2 組志愿者進行基礎操作培訓，講解實驗要求、設備界面、操作內容和方法；另外，單獨對實驗組志愿者進行操作技能培訓，講解認知和控制策略，使得實驗組志愿者獲得一定操作技能。③練習。所有志愿者在正式實驗前使用每種控制方法進行1 次練習。④正式實驗。所有志愿者均使用3 種控制方法，分別完成3 種難度的任務，每位志愿者共9 次操作。為避免疲勞對結果的影響，實驗分3 次完成。為避免學習效應，實驗順序采用拉丁方平衡設計。

2.6 統計分析

使用軟件SPSS Statistics17.0 對各項指標數據進行單因素和多因素方差分析、相關性分析和獨立樣本t檢驗。實驗數據經過正態檢驗和方差齊性檢驗，符合方差分析的條件。P＜0.05 認為差異具有統計學意義。

3 結果

客觀績效指標統計結果如表3 所示，可以看出：

表3 客觀績效指標平均值和標準差統計結果Table 3 Statistical results of mean and standard deviation for performance metrics

1）操作效率、有效操作比率、復合操作比率和失誤率4 項指標在3 種控制方法下有顯著的差異（F＝70.426，P＜0.001；F＝23.917，P＜0.001；F＝140.610，P＜0.001；F＝4.203，P＝0.016）。其中，指令控制方法在有效操作比率、姿態操作精度和失誤率指標上優于其他控制方法；手柄控制方法在操作效率指標上優于其他控制方法；參數控制方法在位置操作精度和復合操作比率指標上優于其他控制方法。

2）位置操作精度、姿態操作精度等2 項指標在3 種任務難度下有顯著的差異（F＝50.070，P＜0.001；F＝30.826，P＜0.001）。并且，有效操作比率、復合操作比率、位置操作精度和姿態操作精度等4 項指標平均值與任務難度呈現正相關關系，即難度越高指標平均值越大；操作效率的指標平均值與任務難度呈現負相關關系，即難度越高指標平均值越小。

3）對2 組志愿者的空間認知能力測試結果進行獨立樣本t檢驗，結果顯示無顯著差異（P＝0.814）。對各項指標進行檢驗，發現有效操作比率指標在2 組志愿者之間有顯著的差異（F＝9.036，P＝0.003），并且實驗組志愿者的有效操作比率顯著優于對照組，其他指標均無統計學意義上的顯著差異。

4）對各指標之間進行相關性分析結果如表4所示，發現復合操作比率和失誤率這2 項指標和所有效率指標都顯著相關，而有效操作比率與除操作效率指標外的其他指標都顯著相關。位置操作精度和姿態操作精度之間的顯著相關性最高。

表4 與各項客觀績效指標相關性最顯著的3 項指標及相關系數Table 4 The 3 most correlated other indexes to the performance metrics

5）控制方法、任務難度和技能水平之間的交互作用分析結果表明，交互作用對各指標均無顯著影響（P＞0.05）。

4 討論

4.1 關鍵因素影響

根據實驗結果結合實驗設定分析控制方法、任務難度、技能水平對客觀績效指標的影響。

控制方法對機械臂操作的效率指標影響顯著，對精度指標影響不顯著。由于指令控制方法具有小步多次的操作特點，志愿者在操作過程中相對謹慎，導致操作次數較多，操作時間較長，但相反方向的往復操作相對較少，因此操作效率一般，有效操作比率較高，失誤率較低。因而指令控制方法對操作者的判斷能力要求不高，適合局部范圍調整使用。手柄控制方法具有定量模糊、連續運動的操作特點，有一定操作難度，復合操作比率較低，有效操作比率一般，失誤率較高，但操作效率最高。因而手柄控制方法對操作者熟練度要求較高，適合較大范圍轉移使用。參數控制方法具有定量明顯，方向準確的操作特點，志愿者在操作過程中復合操作比率較高，相反方向往復操作較多，失誤率也較高，有效操作比率和操作效率較低。因而參數控制方法對操作者熟練度有要求，適用于各維度與目標偏差較大的作業任務。

任務難度對機械臂操作的精度指標影響顯著，對效率指標影響不顯著。在精度指標中，位置操作精度和姿態操作精度隨著任務難度提升指標值變大，說明難度越高精度反而更高。表1 中對精度指標的定義說明，精度指標與結果偏差指標和初始偏差相關。通過對結果偏差指標分析發現，3 種任務難度下位置結果偏差和姿態結果偏差差別不顯著（P＞0.05），說明精度指標的顯著差異主要來源于初始位姿的偏差。并且，位置結果偏差和姿態結果偏差呈現高度正相關性（r＝0.75）。進一步分析發現，精度偏差結果呈現個體差異，如圖2 所示，由此推斷操作精度水平可能與志愿者操作習慣和對精度的認知理解關聯更大，實際與任務難度關聯不顯著。

圖2 志愿者位置和姿態操作結果偏差情況Fig.2 The operational results of subjects in position and attitude deviation

唐偉財等［15］研究表明，個體的空間認知能力對空間機械臂遙操作任務績效有重要影響，在實驗分組時根據測試成績對2 組志愿者進行了平均分配，從而排除了個體影響。有效操作比率指標結果表明，技能水平較高的志愿者對目標物體位姿判斷失誤情況較少。技能水平的提高對機械臂操作的有效性提高有顯著影響。

4.2 績效指標分析

1）安全性指標?？臻g機械臂手控遙操作最大的安全威脅是誤操作導致的碰撞，本文實驗中的失誤率指標反映了操作者在實驗任務中的操作導致的碰撞情況。實驗結果表明，失誤率與效率指標有顯著相關性，其中與復合操作比率呈現正相關，與有效操作比率和操作效率均呈現負相關，說明多維度的空間認知和判斷會明顯增加失誤率，降低操作的安全性；而操作能力和判斷能力越弱，失誤率也會越高。

2）效率指標。執行太空任務效率是繼安全之后重點考慮的方面，復合操作比率、有效操作比率和操作效率等3 項指標，可綜合客觀反映操作者操作過程中的空間認知能力、判斷能力和操作能力。其中，復合操作比率對操作效率和有效操作比率有顯著預測效果（表4），是考察操作效率的重要指標。

3）精度指標。位置操作精度和姿態操作精度客觀描述了六自由度上操作結果情況。根據分析，精度水平的高低與任務難度及控制方法均無顯著相關性，推斷可能與個人操作習慣和對精度的認知理解有關。說明若想通過訓練提高操作精度，需在增加訓練強度提高操作熟練度的基礎上，提供操作策略來優化操作習慣，提高操作者對精度的認知理解和敏感性尤為重要。

5 結論

面向空間站背景下的機械臂遙操作任務，通過分析和梳理手控操作流程中能夠描述操作者表現的6 項客觀績效指標，基于空間機械臂遙操作三維仿真平臺開展指令、手柄、參數3 種控制方法，低、中、高3 種難度任務和2 類技能水平的志愿者操作實驗。結論如下：

1）指令控制方法有效操作比率較高，失誤率較低，適合機械臂在局部范圍內的精細調整時使用；手柄控制方法操作效率較高，但失誤率較高，適合熟練操作者在機械臂較大范圍轉移時使用；參數控制方法復合操作比率較高，但是失誤率較高，適合熟練操作者在各維度偏差較大，需要調整時使用。

2）任務難度對操作效率指標和安全性指標影響不顯著，操作精度結果呈現個體差異，推斷可能與志愿者操作習慣和對精度的認知理解關聯更大，與任務難度實際關聯不顯著。因此，訓練過程中不斷提高操作者對精度的認知理解和敏感性比單純的重復訓練更重要。

3）操作技能水平對機械臂操作有效性有顯著影響。訓練過程中增加控制策略等操作技能的培訓對減少錯誤判斷、提高效率有很大幫助。