第三视角与增强视觉反馈用于精密遥操作：一项以人为中心的操作员研究

《Robotics》：Third-Person Views and Enhanced Visual Feedback for Precision Telemanipulation: A Human-Centred Operator Study

　　

远程遥操作界面用于精密操作时，应支持操作员的态势感知和可用性，同时保留人的控制权，这与工业5.0以人为中心的目标一致。本研究开展了一项受试者内用户评估，共18名参与者使用UR5机械臂。比较了三种界面条件：带有视觉叠加层的增强第一人称界面（FPV+）、结合第一人称和第三人称视角的多视角界面（PiP）、以及带有增强视觉叠加层的多视角界面（PiP+）。参与者以伪随机顺序完成球体任务和笔插入任务。使用广义线性混合效应模型分析二元任务成功，使用线性混合效应模型分析系统可用性量表（SUS）得分。将第三人称视角添加到增强第一人称界面，或将小地图和触觉点叠加层添加到多视角界面，均与任务成功无显著相关。事后敏感性分析显示，这些二元成功比较仅对大效应敏感，因此结果被解释为不确定而非无效证据。笔任务的成功率显著较低，其与先前人机交互经验的关系与球体任务观察到的不同。添加第三人称视角与系统可用性量表得分约高16分相关，而小地图和触觉点叠加层与可用性无显著相关。这些发现阐述了一项与工业5.0相关的以人为中心的评估原则：即使目标任务成功无相应可检测变化，界面特征也能改善操作员对遥操作系统的体验，揭示了仅评估性能可能忽略的益处。

### 论文解读：第三视角与增强视觉反馈对精密遥操作的影响——一项以人为中心的操作员研究

#### 研究背景与问题
工业5.0将工业自动化的目标从替代人类劳动转向增强人类能力，操作员仍作为决策者，其态势感知、信心和感知可用性与任务绩效同等重要。在远程遥操作场景中，操作员通过介导界面与机器人协作，界面的设计直接关系到操作员能否理解远程环境、做出判断并保持有意义的控制权。尤其在精密遥操作任务中，深度感知、方向判断或接触力的小误差可能决定任务成败，因此界面设计不仅是工程问题，更是以人为中心的问题。

现有遥操作界面常提供第一人称相机视图，但其视野有限，可能限制操作员对全局工作空间的理解。增加第三人称视图或视觉叠加层（如接触状态、力反馈、工作空间布局）有望提供更多上下文，但额外视觉信息不必然提升性能，甚至可能增加视觉复杂度。此前研究多评估完整界面系统（如沉浸式、增强现实、多相机配置），但系统捆绑比较难以区分特定界面修改对客观性能或主观体验的独立影响。本研究针对这一空白，在常规屏幕式键盘鼠标遥操作系统中，评估两个定向界面修改：在已有小地图和触觉点叠加层时添加静态第三人称视图，以及在已有第一和第三人称视图时添加小地图和触觉点叠加层。

#### 研究设计与方法
研究人员在Monash机器人中心开展受试者内实验，18名20-23岁参与者（经Monash大学人类研究伦理委员会批准，项目ID 43579）使用UR5机械臂（Universal Robots A/S）配备Robotiq 2F-85夹爪（Robotiq Inc.）和Contactile触觉传感器（基于PapillArray传感概念），通过键盘鼠标控制。界面条件包括：FPV+（第一人称视图+小地图+触觉点）、PiP（第一人称+第三人称画中画，无小地图和触觉点）、PiP+（第一+第三人称+小地图+触觉点）。所有条件均包含力指示器。任务包括网球放置任务和笔插入任务，各接口下采用不同物体放置排列以减少重复效应，条件顺序伪随机化。主要测量为二元任务成功和系统可用性量表（SUS）得分，并收集参与者键盘鼠标经验和人机交互（HRI）经验。事后敏感性分析显示，二元成功分析仅对大效应敏感（可检测比值比约≥5），SUS分析中第三人称视图效应功效约0.98，叠加层效应功效约0.33。

#### 研究结果
**任务成功**：采用广义线性混合效应模型（GLMM，二项分布，logit链接）分析。对于参照球任务，添加第三人称视图的估计条件比较为零（FPV+和PiP+成功率均为0.78），系数检验不显著；添加小地图和触觉点叠加层亦无显著关联；与任务的交互均不显著。任务效应显著（p<0.05），笔任务成功几率低于球任务（估计值-1.64，SE 0.55，p<0.01）。探索性经验调整分析显示，HRI经验对球任务成功有显著正向关联（估计值1.16，SE 0.47，p=0.01），且HRI经验×任务交互显著（估计值-2.10，SE 0.73，p=0.004），表明笔任务的关联方向相反（综合效应负值）。键盘鼠标经验无显著关联。块位置敏感性分析未发现显著练习或疲劳趋势（p=0.31）。

**系统可用性（SUS）**：FPV+平均SUS为53.3（SD 16.0），PiP为66.0（SD 18.0），PiP+为69.7（SD 15.8）。线性混合效应模型显示，添加第三人称视图显著提高SUS（估计值16.39，SE 5.10，t=3.21，p=0.005），平均增加约16分；添加叠加层无显著关联（估计值3.75，SE 5.10，t=0.74，p=0.47）。Type III Wald检验和似然比检验结果一致。

**探索性特征有用性分析**：累积链接混合模型显示，笔任务成功与特征有用性评分正相关（估计值1.87，SE 0.68，p=0.006），但成功×特征交互不显著，提示成功的光环效应。

**参与者成功分布**：球任务中11/18参与者完全成功（三种界面均成功），呈现天花板效应；笔任务成功分布更分散，5名参与者均未成功，仅1名参与者全部成功。

**假设验证总结**：H1（第三人称视图改善性能）未获支持；H2（第三人称视图改善主观体验）获支持；H3和H4（叠加层改善性能和体验）未获支持；H5（经验与成功相关且任务间有差异）部分支持；H6（笔任务成功率更低）获支持。

#### 讨论与结论
核心发现是客观与主观结果的分歧：未检测到界面修改对二元任务成功的显著影响（但受限于球任务天花板和有限样本），而添加第三人称视图显著提升感知可用性约16个SUS分。这一模式与先前研究一致（如软体机器人界面中间接控制SUS更高但错误数相当）。第三人称视图的益处主要体现在操作员体验层面，可能通过减少不确定性提升感知可控性，但未转化为最终成功差异。HRI经验与球任务成功正相关，但与笔任务关联反转，可能因自报经验未反映笔任务所需精细运动技能，或经验用户发生负迁移（如教鞭、摇杆控制映射与FPS式相机框架冲突）。定性评论支持第三人称视图改善态势感知（如“高度偏好第三人称视角”“主要基于该视角判断”），但亦指出小地图与第三人称视图的信息冗余。研究局限性包括：非完整2×2因子设计（缺第一人称无增强条件）、单次观察每任务-界面组合、球任务天花板、稀疏经验类别、训练教程使用PiP+可能引入不对称迁移。未来工作建议采用重复尝试、更丰富的过程指标（完成时间、修正动作、对齐误差、失败模式）以及客观熟悉化标准，并考虑与立体/沉浸式界面的基准比较。

研究结论：在屏幕式精密遥操作中，静态第三人称视图显著提升操作员感知可用性（约16 SUS分），但未检测到对二元任务成功的对应影响；小地图和触觉点叠加层未产生显著关联。任务难度和HRI经验比界面比较更强烈关联成功。该发现支持以人为中心的评估原则：即使客观绩效无变化，界面特征对操作员体验的改善仍具意义，性能唯评价可能遗漏此类益处。未来研究需更大样本和过程级测量以揭示潜在细微行为差异。