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空间立体信息缺失对机械臂遥操作任务的影响

唐伟财 陈善广 肖毅 姜国华 田志强

唐伟财, 陈善广, 肖毅, 等 . 空间立体信息缺失对机械臂遥操作任务的影响[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(2): 335-343. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0128
引用本文: 唐伟财, 陈善广, 肖毅, 等 . 空间立体信息缺失对机械臂遥操作任务的影响[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(2): 335-343. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0128
TANG Weicai, CHEN Shanguang, XIAO Yi, et al. Influence of loss of three-dimensional information on manipulator teleoperation mission[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(2): 335-343. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0128(in Chinese)
Citation: TANG Weicai, CHEN Shanguang, XIAO Yi, et al. Influence of loss of three-dimensional information on manipulator teleoperation mission[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(2): 335-343. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0128(in Chinese)

空间立体信息缺失对机械臂遥操作任务的影响

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0128
基金项目: 

国家自然科学基金 71201148

国家自然科学基金 71371174

人因工程重点实验室自主课题 HF2011-Z-Z-A-01

中国航天医学工程预先研究项目 2012SY54A1705

详细信息
    作者简介:

    唐伟财, 男, 硕士研究生。主要研究方向:航天人因可靠性

    通讯作者:

    陈善广, 男, 博士, 研究员, 博士生导师, 中国载人航天工程副总设计师, 国际宇航科学院院士。主要研究方向:航天人因工程, E-mail:shanguang_chen@126.com

  • 中图分类号: V11;R857.1

Influence of loss of three-dimensional information on manipulator teleoperation mission

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 71201148

National Natural Science Foundation of China 71371174

National Key Laboratory Project of Human Factors Engineering HF2011-Z-Z-A-01

Advanced Space Medico-Engineer Research Project of China 2012SY54A1705

More Information
  • 摘要:

    视觉作为人认知环境的主要信息通道,在空间遥操作任务中有极其重要的作用。本研究面向空间站机械臂遥操作任务,通过对24名被试进行机械臂遥操作模拟平台实验,探索不同程度空间立体信息缺失对机械臂遥操作绩效、脑力负荷、距离感知和情境意识的影响,剖析不同立体信息在遥操作过程中的作用。实验结果表明:局部立体信息对提高遥操作任务完成率、减少撞击操作等指标有重要作用;而全局立体信息更有利于减少机械臂冗余行走距离和限位操作次数;两者对脑力负荷水平的降低有显著影响,而对距离估计偏差和情境意识水平影响不显著。因此,根据不同任务类型选取合适的立体信息补偿,从多个角度完善立体信息的呈现对于保障遥操作任务的顺利进行具有重要意义。

     

  • 图 1  实体机械臂对接场景

    Figure 1.  Docking scenario of physical entity manipulator

    图 2  任务目标和负载

    Figure 2.  Mission objectives and mission load

    图 3  摄像头布局

    Figure 3.  Camera layout

    图 4  被试进行模拟操作训练场景

    Figure 4.  Simulated subject operation training scenario

    图 5  4种水平绩效均值图

    Figure 5.  Mean chart of performance at four levels

    图 6  4种水平脑力负荷均值-标准差图

    Figure 6.  Mean-standard deviation chart of mental workload at four levels

    图 7  4种水平距离估计偏差均值

    Figure 7.  Mean-standard deviation chart of distance estimation error at four levels

    图 8  水平A、D 1 cm距离估计偏差曲线

    Figure 8.  1 cm-distance estimation error curves of A and D levels

    图 9  4种水平情境意识均值-标准差图

    Figure 9.  Mean-standard deviation chart of situation awareness at four levels

    表  1  绩效指标

    Table  1.   Performance indicators

    绩效指标 描述
    对接成功与否 是否在规定时间完成对接
    多轴操作效率 多轴操作的持续时间占的百分率
    任务完成时间 完成时间或失败时间
    末端“行走”的多余距离 机械臂的最终行走距离减去初始距离偏差
    位置偏差 机械臂负载与目标的最终距离偏差
    角度偏差 机械臂负载与目标的最终角度偏差
    错误操作次数 向一个方向操纵了手柄,随即发现该方向错误,于是改向相反方向操作
    对接碰撞次数 与目标物碰撞的次数
    关节限位次数 任一关节到达限位角度极限的次数
    临近工作空间次数(close次数) 机械臂末端或关节过于靠近工作区域边缘的次数
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    表  2  绩效相关性分析结果

    Table  2.   Correlation analysis results of performance indicators

    相关系数 碰撞次数 限位次数 平均操作时间 错误操作次数 多余行走距离 多轴操作效率 close次数 位置偏差 角度偏差
    成功率 -0.195(0.057) -0.394** -0.702** -0.536** -0.425** 0.179(0.081) -0.075 -0.568** -0.730**
    碰撞次数 - -0.046 0.164 0.144 0.250* 0.217* 0.290** 0.053 0.263**
    限位次数 - 0.338** 0.117 0.168 0.007 0.030 0.314** 0.390**
    平均操作时间 - 0.499** 0.468** -0.380** 0.094 0.386** 0.512**
    错误操作次数 - 0.563** -0.022 0.094 0.338** 0.455**
    多余行走距离 - 0.170 0.266** 0.207* 0.293**
    多轴操作效率 - 0.265** -0.158 -0.145
    close次数 - 0.026 0.010
    位置偏差 - 0.655**
    注:*代表0.01 < P < 0.05,**代表P < 0.01,P为显著性概率值,括弧内为边缘显著性P值,下同。
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    表  3  4种水平绩效成对比较结果

    Table  3.   Paired comparison results of performance at four levels

    均值差 A-B A-C A-D B-C B-D C-D
    成功率/% -0.100(0.076) -0.200* -0.225* -0.100 -0.125(0.053) -0.025
    碰撞次数 0.325(0.057) 0.558** 0.467* 0.233 0.142 -0.092
    限位次数 0.642 0.225 0.525 -0.417 -0.117 0.300
    平均操作时间/s -0.810 2.425 2.082 3.235 2.892 -0.343
    错误操作次数 4.358 6.375 5.117 2.017 0.758 -1.258
    多余行走距离/m 0.055 0.034 0.059 -0.022 0.003 0.025
    多轴操作效率/% -0.004 -0.024 0.000 -0.010 0.004 0.014
    close次数 -1.333 1.208 0.708 2.542* 2.042(0.058) -0.500
    位置偏差/m 0.001 0.002(0.061) 0.002* 0.001 0.002 0.000
    角度偏差/(°) 0.344 1.059** 1.156** 0.715(0.092) 0.811* 0.096
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    表  4  4种水平脑力负荷成对比较结果

    Table  4.   Paired comparison results of mental workload at four levels

    信息水平 A-B A-C A-D B-C B-D C-D
    均值 9.504 26.879* 28.337* 17.375* 18.833* 1.458
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-02-07
  • 录用日期:  2016-03-18
  • 网络出版日期:  2017-02-20

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