精細操作能力測試方法設計與應用

唐偉財，肖 毅，徐鳳剛，王春慧

(中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室， 北京100094)

1 引言

在空間站建設及未來的登月探測中，存在各種精細操作任務，包括手控交會對接、在軌機械臂遙操作，甚至在月球車上也搭載了機械臂，用于土壤和巖石的取樣、運輸與儀器的定向和放置等。 根據應用領域的不同，空間遙操作可分為在軌裝配與維修、科學實驗與載荷服務、星球表面探測。 空間遙操作包括大范圍轉移和精細操作2 個操作階段。 由于航天員精細操作階段出現失誤而引發的遙操作事故并不少見，因此，精細操作能力對于各類空間遙操作任務都至關重要。

精細操作能力指個體用手或用手操作工具進行精細動作或執行精細任務的能力，控制精細動作的肌肉力量和動作的協調性、準確性，是感知覺、注意、空間知覺等心理活動的綜合反應。手柄的精細操作能力分離散運動操作控制能力與連續運動控制能力，如手控交會對接屬于連續運動類操作任務，機械臂遙操作屬于離散操作類任務。 在任務的不同階段，操作任務的類型、操作方式也會有所變化。

不同的操作任務對精細操作控制的要求不同，對相應的測試方法和評估指標的要求也不同。當前對精細操作能力的測試任務尚不成體系，但也可分為離散和連續2 類。 離散類測試任務包括線條填畫、圖形臨摹及探針走迷宮等，重點考察對手指、筆等工具的精細控制；連續類測試任務主要為不定運動追蹤任務，重點考察對手柄的精細控制能力，在兒童、老人、病人、飛行員、航天員等群體都有相關應用。 現有的基于手柄的精細操作能力測試理論尚不完善，測試以追蹤任務為主，缺乏離散類操作任務的測試范式，測試范式、指標不全面，推廣性有限，針對性不足。因此，針對不同任務的操作特點，設計一套面向機械臂遙操作、手控交會對接等空間遙操作任務的精細操作能力測評范式，有助于實現對包括航天員在內等各類操作人員的精細操作能力的評測。

目前國內外還沒有一套基于手柄操作比較完善的精細操作能力測試軟件或平臺。 本文針對機械臂遙操作、交會對接等離散類與連續類運動的手柄操作任務在精細操作過程中的任務特征及對手柄精細操作能力的需求，繼承當前較為經典的不定追蹤測試任務和線條填畫測試任務的理念，基于手柄/搖桿的操作方式，設計一套面向空間遙操作的精細操作能力計算機測試平臺，盡可能覆蓋不同遙操作任務過程涉及的精細操作類型。

2 軟件結構及組成

軟件的精細操作能力測試模塊包含離散運動的定向控制、定點控制和連續運動的速度控制、方向控制、綜合控制共5 個。 可通過綜合管理界面對這5 個模塊進行綜合管理，進入綜合管理界面后可選擇任意模塊進行測試。

每個模塊都應具備5 個界面：個人信息登陸界面、參數配置界面、指導語界面、訓練/實驗界面、實驗結束界面。

1)個人信息登陸界面：用于接收用戶個人信息。 每個用戶在進入相應測試模塊時需要輸入個人信息，包括用戶名、年齡、性別、利手、有無手柄操作經歷、編號、第幾次測試等，并選擇實驗測試的操作手。

2)參數配置界面：用于對實驗參數進行設置。 根據需要對實驗進行相應的參數設置。 參數配置界面信息也可通過配置文件進行編輯。

3)指導語界面：操作方法、注意事項等說明。指導語用于告知被試測試內容、測試方法等信息，應簡潔明了，必要時可以圖文方式說明。

4)訓練/實驗界面：用于訓練和正式的測試。進入實驗界面后，先按照參數配置情況完成相應次數的訓練，之后，用戶通過單擊鼠標或確定按鍵開始正式實驗，每次測試開始前都會有倒計時。

5)實驗結束界面：用于顯示實驗結束信息。

每個模塊都對應有數據存儲功能，每次測試完成后，生成的數據文件自動存儲到指定文件夾中。 具體流程如圖1 所示。

3 軟件平臺功能

軟件可實現對離散類和連續類運動的精細操作能力測試，其中離散類運動分為定向和定點2 種測試類型。 定向控制模塊測試操控目標按照預期路徑運動的能力，涉及速度大小、方向的協同與精細操控；定點控制模塊測試精細操控目標按照一定方向、角度到達指定位置的能力，涉及(手柄)方向的穩定控制和角度(手柄操作量)的精細控制等。連續類運動分為速度、方向和綜合操作3 種測試類型。 速度控制模塊測試通過精細操控目標的加速度大小從而穩步追蹤小球的能力，涉及速度感知、運動預測及加速度大小(手柄操作量)的精細控制等；方向控制模塊測試對運動目標的方向的精細操控能力，涉及方向的判斷、連續方向的精細控制等；綜合控制模塊測試對運動目標加速度大小、方向的協同、精細操控能力，還涉及運動的預測、追蹤的策略等多個方面，綜合考察不定運動的追蹤能力。 具體每個模塊的說明如表1 所示。

圖1 測試流程圖Fig.1 Flow chart of the test

4 測評軟件的應用

4.1 實驗流程

每個模塊的測試分為測試講解、訓練與正式測試3 個步驟。 實驗采集了40 名20 ～40 歲本科以上且沒有手柄操作經驗的志愿者的有效數據，男女各20 人。 測試時要求被試盡量又好又快地完成實驗。

4.2 評測指標

各模塊結果由時間、碰撞次數等指標組成，各模塊測試指標及變量描述詳見表2。 其中，定向控制模塊考察能否快速、安全地通過指定路徑，故將碰撞次數進行時間加權；定點控制模塊考察位姿的判斷與精細調節，故以碰撞次數作為考察指標；方向控制模塊小球速度恒定，考察連續運動中避障等能力，故也以碰撞次數作為考察指標；速度控制模塊考察操控目標加速度穩定追蹤小球的精細控制能力，故以目標與小球兩者的重合時間作為考察指標；綜合控制模塊考察綜合調節加速度大小和方向的能力，能越長時間保持在方框內則方向和加速度大小的調節越精確，故以目標保持在方框內的時間作為考察指標。

4.3 結果分析

4.3.1 正態檢驗和內部一致性信度檢驗

通過對5 個模塊的指標進行K-S 非參數分析，檢驗是否符合正態分布；通過對各個模塊中各種類型的績效指標進行內部一致性信度可靠性分析和相關性分析，檢驗每個模塊的內部一致性信度，結果如表3 所示。

從表3 可以看出，各個模塊K-S 非參數分析的顯著性P 值都大于0.05，故各模塊指標均服從正態分布。 各個模塊的各類指標內部一致性信度系數(Cronbach’s Alpha)均大于0.7，而且各項均顯著相關，P＜0.01，驗證了各個模塊均具有良好的內部一致性信度。

4.3.2 重測信度檢驗

間隔20 天后，對40 人進行重測，對前后2 次測量的測試結果進行相關性分析，結果如表4 所示。 從表可看出，前后2 次測試結果顯著正相關，即具有顯著相關關系，驗證了各個模塊均具有良好的重測信度。

4.3.3 與線條填畫任務的相關性分析

軟件的定向控制模塊在紙筆線條填畫任務的基礎上，用手柄控制代替鉛筆填畫、用小球的運動代替線條。 為驗證定向模塊的測試效度，對40 名志愿者中的20 名志愿者進行紙筆線條填畫任務實驗，分析精細操作能力測試軟件各模塊與傳統紙筆測試之間的相關關系。 為模擬手柄控制中涉及手腕、小臂甚至大臂的協調控制，紙筆線條填畫任務采用正坐、在垂直于地面的墻壁上進行填畫測試，志愿者在測試過程中上肢沒有任何承重。實驗結果與預期相同：紙筆填畫測試結果與定向控制 模 塊(Pearson 相 關 因 子 為0.519， P ＝0.019)、綜合控制模塊(Pearson 相關因子為-0.475，P ＝0.034)顯著相關，與定點控制模塊邊緣顯 著 相 關(Pearson 相 關 因 子 為0.415，P ＝0.069)。 定向控制模塊和定點控制模塊作為離散類運動控制能力測試模塊，與傳統紙筆測試之間的顯著相關關系，表明2 個模塊具有良好的內容效度。 而綜合控制模塊作為精細操作能力的綜合測試，與傳統紙筆測試之間的顯著相關，一定程度上驗證了其在精細操作能力測試上具有良好的效度。

表1 各模塊說明Table 1 Module description

表2 指標和變量描述Table 2 Description of indicators and variables

表3 正態檢驗和內部一致性信度檢驗Table 3 Normality and internal consistency reliability test

表4 重測信度檢驗Table 4 Retest reliability test

4.3.4 與基本認知能力的相關分析

對40 人的方向知覺、距離知覺、速度知覺能力進行測試，結果如表5 所示。 分析發現：①方向知覺水平與5 個模塊的精細操作能力均有顯著相關關系，表明方向知覺偏差的大小在一定程度上也能反映精細操作能力水平的高低；②距離知覺水平與定點、方向和綜合控制模塊有顯著相關關系，且與定點控制模塊關系最為顯著，這與定點控制模塊主要考察相對位姿的精細判斷有關；③速度知覺水平與定向、速度、綜合控制模塊有顯著相關關系，且與速度控制模塊關系最為顯著，這表明速度的感知是速度控制的基礎，與預期一致。 此外，綜合控制模塊在方向知覺、速度知覺、距離知覺等感知覺能力均顯著相關，也驗證了綜合控制模塊是一個綜合考察速度、方向協同操控的測試模塊。 由此可見，各模塊測試內容與考察指標的設計較為合理，達到預期效果。

表5 基本認知與精細操作能力相關分析結果Table 5 Correlation analysis between basic cognitive and fine operation ability

4.3.5 性別因素分析

通過對20 名男性和20 名女性受試者進行單因素方差分析發現，在連續運動的方向控制和速度控制方面，男性顯著優于女性。 其中，方向控制方面：Leven 統計量為0.095，P ＝0.760＞0.05，數據方差齊性，男女方差分析F ＝6.189、P＜0.05；速度控制方面：Leven 統計量為0.112，P ＝0.740 ＞0.05，數據方差齊性，男女方差分析F ＝6.912、P＜0.05。 說明女性在離散運動的控制方面，與男性無明顯差距，但在連續運動的控制方面，相比男性稍有不足。 國內關于性別在汽車駕駛中的影響也有相關研究，研究發現女性駕駛員的速度知覺水平明顯低于男性駕駛員，這在一定程度上說明了連續運動中的速度和方向控制能力的性別差異可能與速度知覺方面的能力相關。 此外，實驗未發現連續類運動中的綜合控制能力在性別上的差異，可能有以下原因：①當綜合考察速度和方向的精細控制時，主要考察的是速度和方向兩者之間的協同操控能力；②綜合控制除了需要對速度和方向的精細控制，運動的預測及控制策略的選擇也是其中一項重要考察指標。 故相比其他2 項連續類運動的精細操作能力測試，綜合控制測試對精細操作的要求有所不同，對性別因素的敏感性也存在差異。

5 結論

1)本文軟件的5 個精細操作能力測試模塊具有良好的內部一致性信度、重測信度，能夠較好地評測操作者的精細操作能力，對空間機械臂操作、手控交會對接的人員選拔和精細操作能力監測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線條填畫任務績效顯著相關，定點控制模塊與傳統線條填畫任務績效邊緣顯著相關；

3)方向知覺與5 個模塊的精細操作能力均有顯著相關關系，距離知覺主要與定點、方向和綜合控制模塊有顯著相關關系，速度知覺與定向、速度、綜合控制模塊有顯著相關關系；

4)定向控制、定點控制、綜合控制模塊績效，男女無明顯差異，但男性速度控制和方向控制績效顯著優于女性。