1、1具有触觉反馈控制的挖掘机协调控制方式的可用性评估Benjamin Osafo-Yeboah, Mark Elton, Xiaochun Jiang, Wayne Book, Eui Park北卡罗莱纳州立大学 工业与系统工程学院 格林斯伯勒 NC 27411乔治亚理工学院 机械工程学院 亚特兰大 GA 30332摘要本论文主要是为了进行可用性评估，以便研究操作人员在驾驶具有触觉反馈功能挖掘机时的动作和行为，并找出操作人员在使用这一全新的触觉反馈界面时可能遇到的潜在性使用问题。操作人员一般是通过控制拉杆和脚踏板来实现传统挖掘机的操作。然而，随着计算机计算能力的快速发展，有可能再将力反馈或触觉反
2、馈控制纳入到驾驶员的操作界面。触觉反馈能够给挖掘机提供一个力反馈控制，通过触觉反馈设备能够让驾驶员在操作挖掘机时具有更强的操作感，从而协助驾驶员高效、高质量地完成他们的任务。研究用户可能面临的潜在可用性问题是为了向设计团队提供合理的设计建议，研究结果表明带有触觉反馈协调控制器的挖掘机直观并且易学易用，但同时也发现其在使用中所存在的一些问题，文章最后提出了相应的设计修改方案。关键字: 触觉反馈、 挖掘机控制器界面、可用性1 引言流体传动是指利用流体的特性通过压缩流体来产生、控制和传输动力的一项技术，其中液压传动利用液体(例如矿物油或水)作为工作介质，气压传动是利用气体（例如空气或其他惰性气体）作
3、为工作介质。自 20 世纪 40 年代以来，结合传感器、转换器和微处理器等技术，流体传动为各行业有效提供了传送动力。流体传动技术的进步使得农业、建筑、制造、 采矿、运输、航空航天等行业获益匪浅。在建筑、农业、和运输行业中广泛应用的挖掘机就是由液压传动来驱动的机械。挖掘机主要由铲斗、活动机械臂和吊杆等组成，可以实现挖掘、装载、铲、填装和平整等功能，它能实现用多台其他机器或使用更多的时间完成相同工作量的任务。图 1 所示为山猫挖掘机，作为大部分建筑工地上所使用的主力挖掘机，然而要熟练操作该挖掘机却并不轻松。驾驶员是通过控制与液压传动流量控制阀相关的控制拉杆来操作挖掘机，因而驾驶员要适应拉杆位移与铲
4、斗运动轨迹之间的反向运动关系 1，这就需要大量的培训和丰富的经验。一个良好的挖掘机设计必须要确保驾驶员在操作挖掘机时的视线不受限制并能轻松的完成工作 2。由于驾驶员所能获得的反馈信息仅仅是铲斗运动速度、发动机对载荷的响应和传递到其手上的压力波动，因而对于初学者来说很难操作好控制拉杆。2图 1 山猫挖掘机因此，即使像掘土这样最简单的工作，建筑公司也不得不去花费大量成本去雇用专业挖掘机驾驶员来执行。为了克服这个问题，触觉反馈技术有望取代传统的直接操纵式控制拉杆。因为人类的认知和感知在很大程度上是建立在的多学科综合的基础上，通过适当的组合将不同学科结合起来产生新的信息流往往能大大提高效率 3。利用触
5、觉反馈控制技术代替传统的控制拉杆和脚踏板可以将挖掘机驾驶员从适应反向运动中解放出来，既能提高工作效率又能缩短初学者的培训时间 4。相对于传统的控制拉杆/踏板控制方式，具有触觉反馈控制的挖掘机尽管可以减少脑力强度和提高驾驶员的工作效率，但是正如前面所述，其可用性并没有被完全证实过。使用触觉感知技术来控制挖掘机的设想目前正在佐治亚理工学院进行试验验证 1-2。触觉反馈技术的输入设备是 PHANTOM 1.0，其最初是由麦斯和索尔兹伯里在 1994 年设计出来，随后由 SensAble 公司 5 推广并商业化。本项研究的目的是对由佐治亚理工大学机械工程学院开发出来的带触觉反馈控制的挖掘机进行可用性测
6、试。挖掘机触觉反馈控制技术的开发是高效流体传动中心(CCEFP)正在进行的开发安全、高效和易于使用的流体传动系统中的一部分。可用性测试的目的是帮助研究人员查明用户可能面临的潜在可用性问题，并向设计人员提供合理的设计建议。交互界面技术的可用性是指用户在使用该项技术来完成某指定任务的轻松程度（或实现用户目标的潜在能力的测量标准） 6。系统的可接受性包括两个层面： 实际可接受性和社会可接受性。实际可接受性由有效性、成本、可靠性、 兼容性等组成。其中有效性是指实用性和可用性，可用性又主要包括 5 个属性：可学性、效率、记忆性、 错误率和满意度。图 2 所示为系统的可接受性和可用性的不同层面。一个系统的
7、可用性里通常又包含一些与其实用性相关的因素。系统实用性指的是该系统是否按照设计的功能来执行任务，而系统可用性指的是用户能否按照设计的功能来完成任务。可用性试验的测试通常是由真实的用户来完成，以便获得直接的人机交互信息和用户所遇到的问题。当产品用在实验室所设置的环境以外时，为了得到有效的可用性测试必须获取大量的类似使用环境下的有效试验数据，要求测试员和所执行的任务接近真实的驾驶员和所执行的任务情况。3图 2： 系统可接受性的属性模型2 试验方法从佐治亚理工学院招募 20 名（14 名男性和 6 名女性）年龄在 21-31 岁 之间(平均年龄 = 24，标准方差 = 2.37) 的志愿者参加可用性
8、测试。其中有 14 名白种人、5名亚裔和西班牙裔美国人，并且 43%的志愿者具备使用操纵杆和玩游戏的经验，3 个志愿者有过使用触觉反馈技术的经验。2.1 试验设备实验设备包括 3 台计算机、1 个山猫挖掘机驾驶室、 Phantom Premium 1.0A 触觉设备、52 寸的三星平板液晶显示器和 2 台视频摄像机、由马克埃尔顿用 C +和MATLAB 编程开发的模拟软件。用于模拟的三台计算机使用本地网络连接，第一台计算机与 Phantom 连接、第二台计算机用于图形显示、第三台计算机用来进行挖掘机动态模拟。显示器用来显示图形并放置在挖掘机驾驶室前模拟挖掘机在执行任务时的环境。Phantom
9、安装在挖掘机驾驶室的右前角，并且具有 6 个平移自由度：上-下、左-右、前 -后，以及 3 个旋转自由度。两个摄像机用来记录音频和视频图像。2.2 试验任务使用 Phantom Premium 设备的触控笔，志愿者按照指示将泥土从所标记的区域里挖掘出来并倾倒到位于标记区域左右两侧的箱子里。这里分配了三个任务：任务 1 是将挖掘出来的泥土填充到箱子 1；任务 2 是将挖掘出来的泥土填充到箱子 2；任务 3是将挖掘出来的泥土填充到箱子 1 和箱子 2。基于移动、挖掘和倾倒作为挖掘机操作员最常见的动作因而选出上述任务，任务 1、2 和 3 的执行顺序随机分配给志愿者。当箱子装满之后颜色变成绿色和用音
10、频报警提示志愿者已完成任务。每个志愿者都经4历两次测试，每次测试中他们所做的三个任务顺序都一致，并且志愿者被要求大声说话，使他们的思维过程被捕获。2.3 试验过程当志愿者抵达测试目的地，向志愿者介绍研究目的并要求其阅读并签署同意书。发放预测调查问卷以便统计志愿者人数和收集他们玩电子游戏和操作挖掘机的经验。示范一个简短的模拟演示视频，然后给几分钟让志愿熟悉模拟器。实验组织人员在测试开始之前回答了志愿者提出的关于模拟器和控制器的问题。告知所有志愿者试验过程将被录像以做进一步的分析。任务完成后，感谢、询问所有志愿者，并要求他们完成测试后调查问卷。资询志愿者使用触觉反馈控制挖掘机的感受、舒适程度、评价
11、和建议。总体而言，花费了大约 1 个小时来完成整个测试。图 3 显示的是志愿者正在参加试验。图 3 正在参加试验的志愿者2.4 数据收集记录完成任务的时间、填满一个箱子里所需挖掘的平均次数以及填满一个箱子时泥土倾倒在箱外的次数。另外通过调查问卷还收集了一些主观数据，如用户评价和满意度。2.5 试验结果所有志愿者的平均任务完成时间为 132.86s，标准方差为 25.29s。定义完成任务的时间为每一个志愿者成功将泥土完全填满箱子的时间，那么最快的一个志愿者平均用了 74.01s 完成任务，而最慢的志愿者平均用了 170.99s 完成任务。图 4 所示为各个志愿者完成任务所花费的时间，图 5 中所
12、示为志愿者参加测试后调查问卷的反馈信息整理。5图 4 各个志愿者完成任务所花费的时间图 5 志愿者参加测试后调查问卷的反馈信息整理基于志愿者的回复和其他反馈，最终得到易学性、效率、可记忆性、错误率/预防和用户满意度方面的可用性属性。在易学性方面，所有志愿者都认为触觉控制界面简单易学。与之相类似，尽管有些人表示他们在最开始时觉得界面有些混乱，但所有志愿者都认为任务还是很容易执行。即便界面在最开始时有些混乱，经过练习他们便能很快熟悉系统。因为几乎所有的志愿者都是初学者，设计用意是让触觉控制界面便于学习和使用，初学者经过一段较短时间的练习便能学会使用。当被问及他们利用触觉反馈控制系统能否有效地完成分
13、所成配的任务，大多数志愿者认为该技术的效率还需改进。首先，志愿者抱怨说 Phantom 装置太敏感和僵硬，无论使用何种方式来控制铲斗和活动机械臂的运动都比较困难。大约 30 的志愿者认为，旋转 Phantom 设备的触控笔时没有很好的对应铲斗的打开和关闭动作，此外多数志愿者回应说铲斗动作没有很好的对应于 Phantom 设备触控笔的旋转命令，或者说当铲斗处于打开/关闭动作时而用户却并没有给与触控笔旋转命令。僵硬和笨拙的触觉反馈控制使得用户的肩膀和手腕易产生疲劳和紧迫感，这些都阻碍了用户以更加有效的方式完成任务。在系统的记忆性方面，大多数志愿者认为该触觉交互界面具备良好的自学习功能。特别注意到，
14、在所有志愿中有三个曾经具有操作触觉反馈控制挖掘机经验的人平均完成任务时间为 117.13s，而所有志愿者的平均完成任时间为 132.86s。显然，原先拥有操作经验的志愿者依靠自己原有的经验能更快的完成任务。志愿者们都反映的问题是触控笔的顺时针和逆时针方向旋转并没有很好的与铲斗打开和关闭动作相对应。因此6为了打开或关闭铲斗，用户有时不得不多次旋转触控笔，这样一来往往就导倒用户忘记哪个旋转方向对应于铲斗打开或关闭时的动作。在防止误操作方面，大多数志愿者认为 Phantom 设备的高度灵敏性和僵硬以及缺乏控制稳定性使得他们难以避免误操作。例如，驾驶员可能希望在紧急情况下立即停止挖挖机工作，由于缺乏控
15、制稳定性而无法做到这一点。同时，由于挖掘机动作有时不能很好的对应驾驶员命令，驾驶员就无法完全控制挖掘机在任何时间防止误操作的发生。此外，引入启动和停止旋转触控笔点（极限点）将有助于减少驾驶员的误操作和提高完成任务的质量。例如，当铲斗完全打开时，它应该对应于触控笔某个旋转方向上的极限点。同样，当它完全关闭时，它应该对应于触控笔在另一个旋转方向上的极限点。这样在旋转触控笔时，当操作人员知道铲斗已完全打开/或延长铲斗打开时，对应的将会出现一个极限点。也就说当铲斗完全打开或关闭时触控笔应停止旋转（触控笔的旋转角度 180，与铲斗的运动角度一致）。3 讨论触觉反馈挖掘机控制系统的试验表明，该系统直观且在
16、给与必要的修正后在未来的挖掘机控制和操作方面将会取得突破。当被问及测试后对触觉反馈控制界面的印象，大部分志愿者认为直观、易学、易用。这些特性使得带有触觉反馈控制系统的挖掘机相对于传统的操纵拉杆/脚踏板控制式挖掘机形成优势，因为操作人员发现它更加地直观、易学和易用，从而减少操作人员的培训周期和相关成本。适当的力反馈也可以提高操作人员工作效率，因为操作人员将被警告埋地管线/电缆的存在，从而避免造成损坏。尽管该反馈协调挖掘机控制界面具有不少优势，但在可用性验试中发现了几个潜在问题，必须要加以说明。表 1 所示为可用性验试中所发现的一些潜在性问题且分配了严重等级，参照 6提出严重等级。表 1： 确定可
17、用性问题，其严重程度等级和设计原则违反可用性问题 严重等级 违反的设计原则1。 挖掘机过于敏感/僵硬，不利于使用 phantom设备触控笔控制并使用户的肩膀和手腕容易产生疲劳 3 系统的灵活性和使用效率2。 操作人员无法稳定控制挖掘机，用户发现很难用 phantom 设备触控笔来保持挖掘机的动作 3缺乏用户操作性和自由度、 缺乏灵活性和易用性73。 难以保持眼手协调。僵硬、笨拙的控制界面使得眼手协调变得紧张 3 系统的灵活性和使用效率4。 铲斗运动和触控笔旋转不同步（铲斗运动与触控笔命令/旋转的响应有偏差) 3 系统缺乏匹配精度5。 无法区别空载与满载铲斗，也无法识别铲斗与外部物体（地面、箱子
18、、管道、沟、墙等）3缺乏系统与外部物体之间对应关系6。 难以理解挖掘机与 phantom 设备之间的映射关系，挖掘机机械臂与 phantom 设备是反向运动关系 3 缺乏映射关系7。 缺乏合适的扶手来支承肩部和肘部，引起肩膀疲劳 3 操作员 /工作区人机工程学8。 phantom 设备周围有限的工作区间影响工作效率 3 操作员 /工作区人机工程学4 建议为了使触觉反馈控制的挖掘机操作界面更加人性化并提高使用效率，需重视表 1所列举的可用性问题。首先，需要改善 phantom 设备的敏感 /僵硬性，提高驾驶人员操作挖掘机的稳定性和自由性，从而提高工作效率。其次，铲斗动作需要与 phantom 设
19、备/触控笔旋转进行同步。换句话说，铲斗应该有一个启动和停止旋转触控笔点（极限旋转点），当铲斗完全打开或关闭时触控笔应停止旋转，消除操作人员有时为了打开或关闭铲斗不得不多次旋转触控笔的情况。第三，提供某种形式的阻力或力反馈来表示载荷的重量可以帮助操作人员区别空斗和满斗。此外，提供合适的扶手/支承将有助于减少手臂和肩部的疲劳。此外，最重要的是确保 phantom 设备周围没有障碍物/干扰物以提供足够的工作区间，可使操作人员自由、高效地执行他们的任务。5 感谢感谢紧凑高效流体传动中心(CCEFP) 为本课题组提供的基金资助。86 参考文献1. 弗伦克尔 J.（2004 年）.挖土机，触觉的发展进行了
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