基于个体空间能力的空间遥操作人机交互训练方法研究

Aiming at the demand of the subsequent construction mission of the space station in our country, this program will conduct the research on the related issues about the training of space teleoperation for the in-orbital astronauts based on the previous research programs such as “The Research on Virtual Training Simulation Technology of Intra-vehicular Orientation of Space Station and Human-Computer Interaction” and so on. This program will mainly focus on the technology of virtual training simulation, the influence of modes of spatial perception and control, as well as individual spatial abilities on the teleoperation performance of in-orbital astronauts. Both the effects of different modes of spatial perception and control along with their combinations on teleoperation performance will be adequately investigated. Additionally, the influence of individual spatial abilities on teleoperation performance will also be studied. And the essential relationships among the individual spatial abilities, modes of spatial perception and modes of control will be revealed. According to the research above, training methods on personalized human-computer interaction for space teleoperation with regard to people with various spatial abilities will be studied to improve the teleoperation performance of the in-orbital astronauts. With the appropriate personalized training methods established, the ubiquitous problems of non-personalized training method, overlong training duration and limited training resources in space teleoperation will be sloved and the training methods for space teleoperation skills improvement of our country’s astronauts will be provided.

本项目针对我国后续载人航天空间站建设任务需求，以航天员在轨遥操作训练为应用背景，在先期开展“空间站内定向与人机交互虚拟训练技术研究”等一系列项目研究的基础上，将对航天员在轨遥操作虚拟训练仿真技术、遥操作的空间感知与控制模式以及人的空间能力对遥操作绩效的影响方面进行深入研究。探究不同的空间感知模式、控制模式以及空间感知模式和控制模式的不同组合对遥操作训练绩效的影响，探究人的空间能力对遥操作训练绩效的影响，揭示人的空间能力、空间感知模式、控制模式之间的内在相关性。由此，针对具有不同空间能力的群体，建立遥操作个性化人机交互训练方法，以提高航天员在轨遥操作虚拟训练绩效，解决在空间机械臂遥操作训练中普遍存在着训练方法单一、训练时间过长、训练资源有限的难题，为提高我国航天员空间遥操作技能提供新的训练方法。

空间站上的机械臂在空间站的装配和维护上扮演着关键的角色，空间机械臂遥操作中人的操作技能对遥操作的完成质量和安全性起着关键作用。本项目从人机交互层面研究如何提高机械臂操作者的任务绩效和从人的认知特性层面研究如何训练机械臂操作人员。主要研究内容包括建立机械臂遥操作仿真实验系统，探究不同的空间感知模式、控制模式以及空间感知模式和控制模式的不同组合对遥操作任务绩效的影响，探究人的空间能力对遥操作任务绩效的影响，提出遥操作个性化人机交互训练方法。项目建立的机械臂遥操作仿真实验系统可实现运送站在机械臂末端的舱外航天员到达舱外指定工作地点和转移货物等航天任务。项目研究结果表明机械臂仿真操作任务中的空间感知模式和控制模式对完成任务的绩效具有显著的影响，异我中心的空间感知模式和末端坐标控制模式下，受试者会具有相对更好的操作绩效表现。以视角变换能力和空间可视化能力为代表的个体空间能力与机械臂仿真操作任务之间具有明显的相关性，空间能力越强的受试者，完成机械臂仿真操作任务的绩效也越好，个体空间能力测试的结果能够在一定程度上预测受试者在机械臂操作任务中的绩效，因此可以作为选拔训练机械臂操作者的一项依据。项目在探究的空间感知模式、控制模式、人的空间能力之间的内在相关性基础上，提出了空间遥操作个性化人机交互训练方法，即整体信息训练方法和局部信息训练方法。整体信息训练方法强调利用训练环境整体方位信息，培养受试者使用异我中心空间感知模式和全局机械臂运动控制模式，主要依赖安装在空间站舱壁上的固定摄像机图像完成任务；局部信息训练方法，强调在第一视角下理解场景，培养受试者使用自我中心空间感知模式和局部机械臂运动控制模式，主要依赖安装在机械臂末端的摄像机图像完成任务。该项目的研究解决了在空间机械臂遥操作训练中普遍存在着训练方法单一、训练时间过长、训练资源有限的难题，为提高我国航天员空间遥操作技能提供了新的训练方法。