第5章虛擬現(xiàn)實(shí)仿真條件下體力作業(yè)的生理工效學(xué)評(píng)價(jià)研究

{管理信息化VR虛擬現(xiàn)實(shí)}第5章虛擬現(xiàn)實(shí)仿真條件下體力作業(yè)的生理工效學(xué)評(píng)價(jià)研究第5章虛擬現(xiàn)實(shí)仿真條件下體力作業(yè)的生理工效學(xué)評(píng)價(jià)研究將虛擬現(xiàn)實(shí)仿真與工效學(xué)評(píng)價(jià)相結(jié)合用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中可以提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本和減少設(shè)計(jì)時(shí)間。根據(jù)相關(guān)研究的綜述可知，使用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真條件下的工效學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)新設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)具有重要的預(yù)測(cè)和參考意義，便于及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的工效學(xué)問題并加以改正。如果虛擬現(xiàn)實(shí)仿真能夠提供與真實(shí)世界百分之百相同的臨境感的話，那么通過虛擬現(xiàn)實(shí)仿真進(jìn)行工效學(xué)評(píng)價(jià)獲得的結(jié)果應(yīng)該與在真實(shí)環(huán)境中工效學(xué)評(píng)價(jià)的結(jié)果完全相同。但是，由于技術(shù)和成本的限制，向使用者提供與真實(shí)世界完全相同的臨境感是不可能的。因此，基于提供一定程度臨境感的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真進(jìn)行工效學(xué)評(píng)價(jià)，研究虛擬環(huán)境中測(cè)量所得結(jié)果與真實(shí)環(huán)境中測(cè)量結(jié)果之間關(guān)系，即研究基于虛擬現(xiàn)實(shí)仿真工效學(xué)評(píng)價(jià)方法的可行性與有效性，對(duì)使用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真進(jìn)行工效學(xué)評(píng)價(jià)非常重要，也更具有普遍意義。5.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c研究思路為了研究這個(gè)問題，在本文研究中使用第3章中介紹的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來仿真手工裝配操作，通過動(dòng)作跟蹤系統(tǒng)來跟蹤被試的全身動(dòng)作，使用數(shù)字頭盔向被試顯示虛擬場(chǎng)景和提供視覺反饋。被試在真實(shí)環(huán)境和虛擬仿真環(huán)境中分別完成相同操作，通過對(duì)比在虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境中的評(píng)價(jià)結(jié)果，來分析兩者之間的差異與聯(lián)系，進(jìn)而驗(yàn)證基于虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的工效學(xué)評(píng)價(jià)方法的有效性。為了找出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及流程中可能存在的問題，并且確定合理的被試人數(shù)，在開始正式實(shí)驗(yàn)之前首先選取5名被試進(jìn)行了預(yù)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)5名被試工效學(xué)指標(biāo)Poweranalysis30包含預(yù)實(shí)驗(yàn)中5名被試）。在修正了預(yù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題之后，確定了正式實(shí)驗(yàn)的研究思路和步驟。實(shí)驗(yàn)的研究思路與步驟如圖5.1所示。其中，被試首先需要閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)說明，明確實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并且實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)該告知被試實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，讓被試閱讀并簽署知情同意書?？紤]到如果被試對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用不熟練可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾，因此被試需要在經(jīng)過培訓(xùn)并且能夠熟練使用設(shè)備時(shí)才開始正式實(shí)驗(yàn)。圖5.1虛擬現(xiàn)實(shí)仿真條件下體力作業(yè)的生理工效學(xué)評(píng)價(jià)的研究思路另外，為了消除實(shí)驗(yàn)環(huán)境順序?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，在開始實(shí)驗(yàn)前通過抽簽隨機(jī)確定被試實(shí)驗(yàn)環(huán)境順序。如圖5.1中所示，一半被試先完成真實(shí)環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)然后再完成虛擬環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)（如虛線所示），而另一半被試的實(shí)驗(yàn)環(huán)境順序則與之相反（如實(shí)線所示）。在全部被試完成任務(wù)后，通過對(duì)比研究虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境中的工效學(xué)指標(biāo)測(cè)量結(jié)果來分析兩者之間的關(guān)系。5.2實(shí)驗(yàn)方法5.2.1被試的基本情況在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，從機(jī)械制造企業(yè)中招募了30讀并簽署知情同意書后參加了實(shí)驗(yàn)。在開始實(shí)驗(yàn)前，首先被試通過填寫《基本信息調(diào)查問卷》來登記性別、年齡、肌肉骨骼系統(tǒng)損傷史、視力情況、工作經(jīng)歷等基本信息，然后測(cè)量身高、體重，將測(cè)量結(jié)果補(bǔ)充進(jìn)《基本信息調(diào)查問卷》中用于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析?！痘拘畔⒄{(diào)查問卷》具體內(nèi)容下所示：個(gè)人基本信息：身高：cm體重：kg年齡：歲問題1：您是否從事體力勞動(dòng)?如果是的話請(qǐng)?zhí)顚憜栴}3、4.□是□否問題2：您開始從事目前的工作至今已有多長時(shí)間?年個(gè)月問題3：您每日從事體力勞動(dòng)多少小時(shí)?小時(shí)問題4：您每周從事體力勞動(dòng)多少小時(shí)？小時(shí)問題5：身體（與運(yùn)動(dòng)有關(guān)）器官不適調(diào)查(1)在過去的12個(gè)月內(nèi)，您的身體有任何不適出現(xiàn)嗎？例如酸脹、疼痛、不舒服等。如果有，請(qǐng)?jiān)谙旅娴膱D中標(biāo)出現(xiàn)的部位。(2)在過去的7天內(nèi)，您的身體有任何不適出現(xiàn)嗎？例如酸脹、疼痛、不舒服等。如果有，請(qǐng)?jiān)谙旅娴膱D中標(biāo)出現(xiàn)的部位。.(3)您的肌肉骨骼系統(tǒng)方面受過傷嗎？如果有請(qǐng)?jiān)谙旅鎴D中標(biāo)出受傷部位。問題6：您玩過3D游戲嗎？如果您玩過，請(qǐng)給出你玩3D游戲的時(shí)間?！跏恰醴衲陠栴}7：您是否近視？□是□否實(shí)驗(yàn)中全部被試均身體健康，沒有肌肉骨骼系統(tǒng)損傷。被試年齡在20至6041.811.5160至184cm均身高為172.0cm，標(biāo)準(zhǔn)差為5.5cm）；體重在51至95kg（平均體重為69.5kg，標(biāo)準(zhǔn)差為12.2kg）。在這30個(gè)被試中有22人在日常工作中使用手動(dòng)工具，并且他們有3至208人是在日常工作中偶爾使用手動(dòng)工具。5.2.2任務(wù)描述實(shí)驗(yàn)中選取一個(gè)手工裝配任務(wù)作為實(shí)驗(yàn)任務(wù)，這個(gè)手工裝配任務(wù)是從工業(yè)使用手工工具進(jìn)行鉆孔或者鉚接操作中簡化而來的。實(shí)驗(yàn)任務(wù)包含的手工裝配任務(wù)有：抓取并提起手工工具、將手工工具移動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)、將手工工具對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)、然后像鉆孔或鉚接操作那樣保持一段時(shí)間，更換目標(biāo)點(diǎn)完成指定數(shù)目的幾個(gè)動(dòng)作。每個(gè)被試將被要求在一個(gè)固定位置上分別以站姿和坐姿來完成這個(gè)手工裝配任務(wù)。在實(shí)驗(yàn)中使用了一個(gè)1.5kg重的工具模型來模擬在實(shí)際工業(yè)操作中的手電鉆或者鉚槍的重量。為了避免金屬對(duì)磁性跟蹤器的測(cè)量產(chǎn)生干擾，這個(gè)工具模型由手電鉆塑料外殼并填充非金屬材料作為配重。在實(shí)驗(yàn)開始前，這個(gè)手工工具被放置在被試右前方80cm處一個(gè)70cm高的固定平臺(tái)上。在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，被試首先從這個(gè)平臺(tái)上抓取并拿起手工工具，開始任務(wù)操作。實(shí)驗(yàn)中使用的模型如圖5.2所示，每個(gè)模型上有9個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。站姿使用的模型尺寸為550mm（高）×400mm400mm（高）×600mm（寬）。實(shí)物模型用于真實(shí)世界中來完成裝配任務(wù)，在虛擬環(huán)境中使用具有相同尺寸、樣式、紋理的虛擬模型來完成任務(wù)。圖5.2實(shí)驗(yàn)中所使用的模型(a)站姿操作時(shí)使用的實(shí)物模型（b）站姿操作時(shí)使用的虛擬模型(c)坐姿操作時(shí)使用的實(shí)物模型（d）坐姿操作時(shí)使用的虛擬模型在實(shí)驗(yàn)中完成手工裝配任務(wù)的步驟如下：(1)抓取并拿起放置在固定平臺(tái)上的手工工具模型；(2)將手工工具模型的工具尖對(duì)準(zhǔn)模型上目標(biāo)點(diǎn)，并保持對(duì)準(zhǔn)姿勢(shì)3秒鐘（由計(jì)算機(jī)來產(chǎn)生計(jì)時(shí)信號(hào)）；(3)按目標(biāo)點(diǎn)的標(biāo)號(hào)順序?qū)⑹止すぞ邔?duì)準(zhǔn)下一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)并重復(fù)(2)中的操作，直至全部完成對(duì)準(zhǔn)9個(gè)點(diǎn)作為一個(gè)回合；(4)根據(jù)任務(wù)配置，完成2個(gè)或4個(gè)回合任務(wù)操作，即完成對(duì)準(zhǔn)18次或36次目標(biāo)點(diǎn)操作。5.2.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備在實(shí)驗(yàn)中使用在第4章介紹的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來提供虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景、完成實(shí)驗(yàn)操作。本實(shí)驗(yàn)中使用了5DT?公司的HMD800-263D型數(shù)字頭盔向被試展示Polhemus公司的Fastrak和Patroit磁性跟蹤器來跟蹤被試的動(dòng)5.3所示，F(xiàn)astrak和Patroit磁性跟蹤器共有6Fastrak有4個(gè)傳感器，Patroit有2個(gè)傳感器）分別放置在被試的頭部、右肩部、右肘部、80cm處的高臺(tái)上。站姿任務(wù)的模型中心距地面140cm型中心距離地面80cm，大約與被試眼睛同高。圖5.3磁性跟蹤器傳感器的放置位置[104]實(shí)驗(yàn)中在虛擬環(huán)境中使用的虛擬模型使用AutoDesk?公司的AutoCAD和Adobe?公司的3DS軟件進(jìn)行制作，并且將制作完成的模型導(dǎo)入到實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)中作為實(shí)驗(yàn)所用的虛擬模型，虛擬模型的尺寸和紋理都盡可能與實(shí)物模型一致。在使用虛擬仿真平臺(tái)為被試提供虛擬場(chǎng)景時(shí)，為了讓被試和實(shí)驗(yàn)人員能夠準(zhǔn)確判斷被試控制的手工工具模型的尖端是否已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)為被試提供了視覺反饋，當(dāng)工具尖端進(jìn)入到接觸目標(biāo)點(diǎn)的碰撞向量檢測(cè)范圍內(nèi)，目標(biāo)點(diǎn)的顏色由原來的黑色變成黃色；而當(dāng)工具尖端移出檢測(cè)范圍之外，目標(biāo)點(diǎn)的顏色由黃色恢復(fù)為原來的黑色（圖5.4）。圖5.4虛擬場(chǎng)景中工具尖對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)提供的視覺反饋另外，實(shí)驗(yàn)中使用了浙江華鷹公司生產(chǎn)的ACS-300型測(cè)力計(jì)測(cè)量被試肌肉最大輸出力量。這個(gè)測(cè)力計(jì)的最大測(cè)量能力為600.01千克力。5.2.4實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)考慮到完成任務(wù)過程中可能會(huì)對(duì)測(cè)量的工效學(xué)指標(biāo)產(chǎn)生影響的因素[105,106]，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中研究了3個(gè)因素——工作姿勢(shì)、完成操作次數(shù)、目標(biāo)點(diǎn)的大小，這3個(gè)因素作為組內(nèi)因素被用于實(shí)驗(yàn)中。這3個(gè)組內(nèi)因素每個(gè)都有2個(gè)水平。各因素及其水平的具體含義中如表5.1所示。表5.1實(shí)驗(yàn)的組內(nèi)因素及其水平因素水平說明坐姿參見圖5.3工作姿勢(shì)站姿參見圖5.3完成操作次數(shù)少一個(gè)任務(wù)中連續(xù)完成2個(gè)回合，即18次對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)操作多一個(gè)任務(wù)中連續(xù)完成4個(gè)回合，即36次對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)操作小目標(biāo)點(diǎn)直徑6mm目標(biāo)點(diǎn)大小大目標(biāo)點(diǎn)直徑18mm實(shí)驗(yàn)中這3個(gè)組內(nèi)因素構(gòu)成了一個(gè)2×2×2設(shè)計(jì)，因此這些因素的水平共有8種組合，即構(gòu)成了實(shí)驗(yàn)中的8種實(shí)驗(yàn)配置，被試需要分別在這些配置下完成任務(wù)。為了消除可能存在的實(shí)驗(yàn)配置順序?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，每名被試在實(shí)驗(yàn)開始前通過抽簽隨機(jī)確定自己在實(shí)驗(yàn)中配置的順序。另外，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)需要被試分別在真實(shí)環(huán)境和虛擬仿真環(huán)境下完成任務(wù)，考慮到實(shí)驗(yàn)環(huán)境可能對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，所以30名被試在實(shí)驗(yàn)前被隨機(jī)分成兩組，第一組15另外一組15務(wù)。5.2.5實(shí)驗(yàn)測(cè)量的工效學(xué)指標(biāo)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了被試在完成任務(wù)過程中一些工效學(xué)指標(biāo)，這些工效學(xué)指標(biāo)反映了被試完成任務(wù)的績效、主觀感受以及任務(wù)引起的MSD風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的工效學(xué)指標(biāo)主要分為客觀指標(biāo)和主觀指標(biāo)，其中客觀指標(biāo)包括被試的姿勢(shì)、肌肉疲勞程度（最大肌肉輸出力下降率）、任務(wù)完成時(shí)間；主觀指標(biāo)包括被試的不適感強(qiáng)度和完成任務(wù)的感知努力的程度，以及虛擬環(huán)境臨境感。在相對(duì)模型的固定位置，在完成任務(wù)過程中身體并不移動(dòng)位置。被試完成任務(wù)主要是靠右臂的運(yùn)動(dòng)，除了肘關(guān)節(jié)角度外，頸部角度、腰部、腿部等關(guān)節(jié)角度并無變化，因此可以使用肘關(guān)節(jié)角度來描述被試的姿勢(shì)。肘關(guān)節(jié)角度是根據(jù)執(zhí)行任務(wù)過程中測(cè)量的肩、肘、腕三個(gè)關(guān)節(jié)在空間的位置計(jì)算得出。如圖5.5所示，若被試右臂肩關(guān)節(jié)的空間位置記為，肘關(guān)節(jié)的空間位置記為，腕關(guān)節(jié)的空間位置記為，肘關(guān)節(jié)角記為。圖5.5被試的姿勢(shì)測(cè)量示意圖根據(jù)余弦定理，肘關(guān)節(jié)角可由5-1式計(jì)算得出。（5-1）被試完成任務(wù)過程中肌肉疲勞程度通過測(cè)量被試在開始執(zhí)行任務(wù)前和剛剛完成任務(wù)后的肌肉最大輸出力的下降率反映的[36]。在開始執(zhí)行每個(gè)任務(wù)前，被試先以坐姿并且后背不依靠椅背來使用ACS-300型測(cè)力計(jì)測(cè)量右臂的最大推力。在任務(wù)結(jié)束后，再以同樣姿勢(shì)測(cè)量右臂最大推力。如果記被試在開始執(zhí)行任務(wù)之前測(cè)得的肌肉最大輸出力為，剛剛完成任務(wù)后測(cè)得的肌肉最大輸出力為，則肌肉最大輸出力下降率（MFCR）可以通過5-2式計(jì)算得出。（5-2）任務(wù)完成時(shí)間是使用秒表記錄被試從開始執(zhí)行任務(wù)到任務(wù)結(jié)束整個(gè)過程所需要的時(shí)間，以秒為單位。BPDRPE）方法測(cè)量被試完成任務(wù)付出的感知努力程BPD問卷和RPE問卷來自報(bào)告自己感受的不適感強(qiáng)度和付出的感知努力程度?！吨饔^評(píng)價(jià)問卷》的具體內(nèi)容如下所示：問題1：您感覺完成這個(gè)任務(wù)付出努力程度如何？問題2：請(qǐng)您根據(jù)身體各部位不適感強(qiáng)度用√在每個(gè)問題量表對(duì)應(yīng)位置處打分1.頸部：2.肩部：3.上臂：4.前臂：5.上背：6.中背：7.低背：8.臀部：9.左大腿：10.右大腿：11.左小腿：12.右小腿：13.全身整體：被試通過問卷來評(píng)價(jià)虛擬環(huán)境臨境感。本實(shí)驗(yàn)的虛擬環(huán)境臨境感評(píng)價(jià)問卷參考了Witmer和Singer的虛擬現(xiàn)實(shí)臨境感問卷中的問題制定而成。問卷包括六個(gè)問題，這六個(gè)問題分別評(píng)價(jià)了虛擬環(huán)境的感覺、真實(shí)、控制分神等幾個(gè)因素，被試通過使用7分Likert作為虛擬環(huán)境臨境感評(píng)價(jià)結(jié)果?！短摂M環(huán)境臨境感評(píng)價(jià)問卷》的具體內(nèi)容下所示：問題1：您對(duì)虛擬環(huán)境中的情況控制程度如何？問題2：您覺得你與虛擬環(huán)境交互的自然程度如何？問題3：在虛擬環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候，您對(duì)動(dòng)作引發(fā)的結(jié)果預(yù)測(cè)準(zhǔn)確程度如何？問題4：您覺得在虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境的感覺相符程度如何？問題5在轉(zhuǎn)動(dòng)頭部時(shí)，您能很好地從不同視角去看虛擬環(huán)境中的物體嗎？問題6：您對(duì)在虛擬環(huán)境中移動(dòng)或者控制物體的掌控程度如何？5.3實(shí)驗(yàn)過程參加實(shí)驗(yàn)的人員來到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地后，首先測(cè)量身高、體重，填寫《實(shí)驗(yàn)參試人員基本信息》表格。然后由實(shí)驗(yàn)人員向其介紹實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、任?wù)、可能存在的風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)酬、隱私政策等內(nèi)容。被試在簽署知情同意書后，將按照如下步驟來開始實(shí)驗(yàn)：(1)被試通過抽簽確定自己實(shí)驗(yàn)中8種實(shí)驗(yàn)配置的順序，以及使用實(shí)驗(yàn)環(huán)境的順序；(2)通過實(shí)驗(yàn)人員培訓(xùn)被試學(xué)習(xí)使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并且練習(xí)通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來與虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行交互。被試在通過練習(xí)能夠熟練與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互之后，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)人員考核、確認(rèn)之后，開始正式實(shí)驗(yàn)；(3)根據(jù)(1)中抽簽確定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境順序來決定采用的實(shí)驗(yàn)環(huán)境（真實(shí)環(huán)境、虛擬仿真環(huán)境），被試按照抽簽確定的8種實(shí)驗(yàn)配置順序開始實(shí)驗(yàn)。在開始執(zhí)行一種實(shí)驗(yàn)配置下的任務(wù)之前，被試需要先使用測(cè)力計(jì)測(cè)量坐姿時(shí)右臂最大輸出力量，然后再根據(jù)實(shí)驗(yàn)配置要求開始實(shí)驗(yàn)。(4)被試在剛完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)配置下的任務(wù)后，再次使用測(cè)力計(jì)測(cè)量坐姿時(shí)右臂最大輸出力量。并且填寫《主觀評(píng)價(jià)問卷》來評(píng)價(jià)剛剛完成的任務(wù)中自己的主觀感受。如果是虛擬環(huán)境任務(wù)，被試還要使用《虛擬環(huán)境臨境感評(píng)價(jià)問卷》來給出對(duì)在剛才實(shí)驗(yàn)配置下虛擬環(huán)境臨境感評(píng)價(jià)。填寫完問卷后，被試休息5分鐘。(5)根據(jù)被試在(1)中確定的實(shí)驗(yàn)配置應(yīng)用順序，進(jìn)行下一個(gè)實(shí)驗(yàn)配置下的實(shí)驗(yàn)，重復(fù)(3)、(4)，直到8種實(shí)驗(yàn)配置都應(yīng)用完畢。(6)再根據(jù)（1）中抽簽確定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境使用順序，使用另一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，重復(fù)(3)、(4)、(5)，直至全部實(shí)驗(yàn)完成。被試在真實(shí)環(huán)境中通過直接使用手工工具模型對(duì)準(zhǔn)實(shí)物模型目標(biāo)點(diǎn)，按照本節(jié)中所描述的實(shí)驗(yàn)過程完成任務(wù)，并使用測(cè)力計(jì)和問卷來測(cè)量被試在剛完成任務(wù)中主、客觀工效學(xué)指標(biāo)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也使用磁性傳感器記錄被試在完成操作過程中頭部、右肩、右肘、右腕的空間位置。頭和各關(guān)節(jié)的位置可以用于描述被試在真實(shí)環(huán)境中完成任務(wù)過程中的姿勢(shì)。被試在執(zhí)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)中的場(chǎng)景如圖5.6所示，左圖為站姿，右圖為坐姿。圖5.6被試在真實(shí)環(huán)境中使用實(shí)物模型的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景被試使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過安裝在被試身上和頭上的磁性傳感器來跟蹤被試動(dòng)作，記錄被試在完成任務(wù)過程中頭部、右肩、右肘、右腕的空間位置，用來驅(qū)動(dòng)虛擬環(huán)境中數(shù)字人完成相同姿勢(shì)，同時(shí)根據(jù)安裝在工具模型上的2個(gè)磁性傳感器計(jì)算出手工工具虛擬模型的位置和姿態(tài)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過數(shù)字頭盔向被試以第一人稱視角展示仿真場(chǎng)景（圖5.4）。在真實(shí)世界中，被試執(zhí)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)的場(chǎng)景如圖5.7所示，左圖為站姿，右圖為坐姿。圖5.7被試使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景5.4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析在實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)被試都是分別在虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境中由工作姿勢(shì)、完成操作次數(shù)、目標(biāo)點(diǎn)大小3個(gè)因素構(gòu)成的8種實(shí)驗(yàn)配置下完成操作任務(wù)，因此使用重復(fù)測(cè)量的方差分析方法（RepeatedANOVA3個(gè)因素的交互效應(yīng)是否對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。在真實(shí)環(huán)境（或虛擬環(huán)境）中，每個(gè)被試在8種實(shí)驗(yàn)配置下測(cè)量結(jié)果的平均值作為在該實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的總體測(cè)量結(jié)果。另外，將被試的測(cè)量結(jié)果根據(jù)3個(gè)因素分別進(jìn)行分類，每一類中測(cè)量結(jié)果平均值也被作為被試在這個(gè)因素下的測(cè)量結(jié)果。在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析中，首先檢驗(yàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)的正態(tài)性和方差齊次性，全部測(cè)量數(shù)據(jù)都通過了檢驗(yàn)。線性回歸法和Pearson相關(guān)系數(shù)法在分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)用于確定在真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境中測(cè)量結(jié)果之間的關(guān)系，并且在此基礎(chǔ)之上，建立起基于虛擬環(huán)境中不BPDMFCR）的測(cè)量結(jié)果來估計(jì)真實(shí)環(huán)境中測(cè)量結(jié)果的預(yù)測(cè)模型。另外，使用配對(duì)t檢驗(yàn)方法（Pariedt-test）在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中確定在真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境中完成相同任務(wù)時(shí)身體部位不適感程度（BPD）、疲勞程度（MFCR）、感知努力程度（RPE）、任務(wù)完成時(shí)間之間的差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析中選取了95%的置信區(qū)間，使用SPSS?軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。最后，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可視化使用了Minitab?軟件完成。5.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果使用重復(fù)測(cè)量的方差分析對(duì)實(shí)驗(yàn)中的3個(gè)組內(nèi)因素（工作姿勢(shì)、完成操作次數(shù)、目標(biāo)點(diǎn)大?。┡c實(shí)驗(yàn)環(huán)境因素之間交互效應(yīng)進(jìn)行分析，交互效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的分析結(jié)果如表5.2所示，結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)中4個(gè)因素之間的交互效應(yīng)對(duì)于BPD、RPE、MFCR結(jié)果沒有顯著影響（p>0.05）。這個(gè)結(jié)果說明實(shí)驗(yàn)中4個(gè)因素之間不存在交互效應(yīng)，因此可根據(jù)因素分別對(duì)各水平下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。表5.2實(shí)驗(yàn)中各因素的交互效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響因素的交互效應(yīng)pBPDRPEMFCREN×WP0.3480.2910.088EN×TD0.6670.9860.175EN×TS0.2650.5750.662EN×WP×TD0.4930.3340.155EN×WP×TS0.5050.5100.493EN×TD×TS0.5610.7040.806EN×WP×TD×TS0.3890.7370.823注：EN=實(shí)驗(yàn)環(huán)境,包含兩個(gè)水平：虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境；WP=工作姿勢(shì)；TD=完成操作次數(shù)；TS=目標(biāo)點(diǎn)大??；BPD=身體不適感程度；RPE=主觀感覺努力程度；MFCR=疲勞程度5.5.1被試的姿勢(shì)（肘關(guān)節(jié)角）被試在一種實(shí)驗(yàn)配置下，在虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境中對(duì)準(zhǔn)9個(gè)目標(biāo)點(diǎn)時(shí)肘關(guān)節(jié)平均角度被用于描述被試的姿勢(shì)。被試在真實(shí)環(huán)境中的肘關(guān)節(jié)角記為，在虛擬環(huán)境中的肘關(guān)節(jié)角記為。使用配對(duì)t檢驗(yàn)對(duì)與進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明顯著大于（p<0.001環(huán)境中的姿勢(shì)差異通過5-3式計(jì)算得出。（5-3）因?yàn)楸辉囋诿糠N實(shí)驗(yàn)環(huán)境中共需在830名被試共有240組真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境姿勢(shì)差異數(shù)據(jù)。對(duì)這240組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，其中80.4%的姿勢(shì)差異小于10%93.8%的姿勢(shì)差異小于15%知，被試的姿勢(shì)（肘關(guān)節(jié)角）在真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境之間存在一些差異。不過在傳統(tǒng)姿勢(shì)評(píng)價(jià)方法中，肘關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍通常被劃分為幾個(gè)區(qū)間，例如在姿勢(shì)目Posturetargeting8個(gè)區(qū)間[39]（圖2.4RULA和REBA方法中將肘關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍劃分為260°和大于100°作為一個(gè)區(qū)間；60°~100°作為另外一個(gè)區(qū)間[42,43]（圖2.5）。而在實(shí)驗(yàn)中93.8%的測(cè)量值都小于15%），這對(duì)于傳統(tǒng)的姿勢(shì)評(píng)價(jià)方法而言，真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境中被試姿勢(shì)不會(huì)引起工效學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果的很大差異。因此，如果使用傳統(tǒng)姿勢(shì)評(píng)價(jià)方法對(duì)被試在虛擬環(huán)境中完成任務(wù)的姿勢(shì)來進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果用于代表被試在真實(shí)環(huán)境中完成相同任務(wù)的姿勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果是可行的。5.5.2疲勞程度（肌肉最大輸出力下降率）根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，被試在真實(shí)環(huán)境中肌肉最大輸出力下降率（MFCR）平均為0.126（方差為0.038），在虛擬環(huán)境中平均為0.147（方差為0.045）。使用配對(duì)t檢驗(yàn)對(duì)真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境中MFCR最大輸出力量下降率與真實(shí)環(huán)境存在顯著差異（，）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，真實(shí)環(huán)境中MFCR數(shù)據(jù)從6%至21%，而虛擬環(huán)境中MFCR數(shù)據(jù)從8%至26%MFCR數(shù)據(jù)從8%至10%MFCR數(shù)據(jù)從6%至9%MFCR數(shù)據(jù)從11%至26%MFCR數(shù)據(jù)從8%至21%。因此，從MFCR數(shù)據(jù)可知，虛擬環(huán)境中的MFCR測(cè)量結(jié)果與真實(shí)環(huán)境中測(cè)量結(jié)果變化趨勢(shì)一致，并且虛擬環(huán)境中MFCR在虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境相比更容易疲勞。使用線性回歸方法對(duì)虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境肌肉最大輸出力下降率測(cè)量結(jié)果之間的關(guān)系進(jìn)行分析，若記真實(shí)環(huán)境中肌肉最大輸出力下降率為，虛擬環(huán)境中肌肉最大輸出力下降率為，在虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境中測(cè)量的肌肉最大輸出力下降率的標(biāo)準(zhǔn)殘差圖如圖5.8所示。圖5.8臂部最大輸出力下降率（MFCR）標(biāo)準(zhǔn)殘差從肌肉最大輸出力下降率的標(biāo)準(zhǔn)殘差圖可知，測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)殘差與數(shù)值大小無關(guān)，并且數(shù)據(jù)點(diǎn)在圖中隨機(jī)分布，因此初步可知直線回歸模型適合于對(duì)肌肉最大輸出力下降率進(jìn)行回歸分析。對(duì)在虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境中肌肉最大輸出力下降率測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，回歸結(jié)果如5-4式所示：（5-4）對(duì)肌肉最大輸出力下降率回歸分析的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明回歸結(jié)果的線性關(guān)系是顯著的（，p<0.001=0.568。虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)MFCR95%預(yù)測(cè)區(qū)間和置信區(qū)間如圖5.9所示。圖5.9真實(shí)與虛擬環(huán)境中MFCR線性回歸結(jié)果肌肉最大輸出力下降率（MFCR）的線性回歸結(jié)果表明，真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境中肌肉最大輸出力下降率測(cè)量結(jié)果之間存在顯著的線性關(guān)系。被試在虛擬環(huán)境中完成任務(wù)的肌肉最大輸出力測(cè)量結(jié)果與真實(shí)環(huán)境的測(cè)量結(jié)果具有相同變化趨勢(shì)，但虛擬環(huán)境中的測(cè)量結(jié)果總是高于真實(shí)環(huán)境中測(cè)量結(jié)果。在基于虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的工效學(xué)評(píng)價(jià)中，使用在虛擬環(huán)境中測(cè)量的肌肉最大輸出力下降率可以在一定精度條件下，對(duì)真實(shí)環(huán)境中完成相同任務(wù)時(shí)肌肉輸出力最大下降率測(cè)量結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。將肌肉輸出力下降率（MFCR）測(cè)量結(jié)果根據(jù)3個(gè)組內(nèi)因素（工作姿勢(shì)、完成操作次數(shù)、目標(biāo)點(diǎn)大?。┻M(jìn)行分類，并且使用配對(duì)t檢驗(yàn)對(duì)真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境之間的結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如表5.3所示。表5.3根據(jù)組內(nèi)因素分類的MFCR均值、方差和差異（N=30）因素水平p均值方差均值方差工作姿站姿0.1230.0380.1510.0560.001-3.68022.8%勢(shì)坐姿0.1290.0440.1440.0400.012-2.67111.6%完成操多0.1470.0450.1740.0570.002-3.37618.4%作次數(shù)少0.1050.0370.1210.0390.012-2.66515.2%目標(biāo)點(diǎn)大0.1250.0450.1490.0510.001-3.52819.2%大小小0.1270.0360.1450.0420.003-3.19714.2%根據(jù)分析結(jié)果可知，各種因素水平下肌肉最大輸出力下降率（MFCR）在虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境中測(cè)量結(jié)果之間存在顯著差異，并且在虛擬環(huán)境中的測(cè)量結(jié)果要比真實(shí)環(huán)境中高12%~23%真實(shí)環(huán)境中肌肉更容易疲勞。而從在虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境中測(cè)量的肌肉最大輸出力下降率的線性回歸結(jié)果中可知回歸直線的斜率小于1均為<結(jié)果之間關(guān)系是一致的。另外，對(duì)肌肉最大輸出力下降率（MFCR）測(cè)量結(jié)果在基于3個(gè)組內(nèi)因素進(jìn)行分類后，在每一類中使用Pearson相關(guān)系數(shù)方法來分析真實(shí)環(huán)境中與虛擬環(huán)境中測(cè)量的MFCR數(shù)據(jù)之間關(guān)系，分析結(jié)果如表5.4數(shù)和目標(biāo)點(diǎn)大小三個(gè)因素的各個(gè)水平條件下，虛擬環(huán)境中與真實(shí)環(huán)境中的測(cè)量結(jié)果之間具有顯著相關(guān)性，因此，基于虛擬現(xiàn)實(shí)仿真對(duì)完成任務(wù)的肌肉疲勞程度可以在一定精度要求條件下預(yù)測(cè)真實(shí)環(huán)境中的評(píng)價(jià)結(jié)果。表5.4真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境下MFCR之間相關(guān)系數(shù)（根據(jù)組內(nèi)因素分類）（N=30）因素水平相關(guān)系數(shù)p站姿0.68<0.001工作姿勢(shì)坐姿0.75<0.001多0.67<0.001完成操作次數(shù)少0.64<0.001大0.71<0.001目標(biāo)點(diǎn)大小小0.68<0.0015.5.3任務(wù)完成時(shí)間8種任務(wù)配置下的任務(wù)完成時(shí)間平均值作為他在這種實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的任務(wù)完成時(shí)間。30名被試在真實(shí)環(huán)境中任務(wù)完成時(shí)間（記做）的平均值為85.7秒（標(biāo)準(zhǔn)差為16.6秒）；在虛擬環(huán)境182.832.6t檢驗(yàn)對(duì)任務(wù)完成時(shí)間進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明虛擬環(huán)境中的任務(wù)完成時(shí)間顯著長113%（，p<0.001虛擬環(huán)境中完成同樣任務(wù)要比在真實(shí)環(huán)境中需要更長時(shí)間。因?yàn)橥瓿扇蝿?wù)需要更長時(shí)間，所以被試也需要付出更多努力，也更容易疲勞，這與被試肌肉最大輸出力下降率（MFCR）即疲勞程度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相一致。另外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的3個(gè)組內(nèi)因素對(duì)任務(wù)完成時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并使用配對(duì)t檢驗(yàn)對(duì)每類中真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境的任務(wù)完成時(shí)間進(jìn)行檢驗(yàn)以確定存在的差異，分析結(jié)果如表5.5所示。分析結(jié)果表明，虛擬環(huán)境的任務(wù)完成時(shí)間要顯著比真實(shí)環(huán)境長，長約108%~120%。表5.5根據(jù)組內(nèi)因素分類的任務(wù)完成時(shí)間平均值、方差和差異（N=30）因素水平（秒）（秒）p均值方差均值方差工作姿勢(shì)站姿89.018.6坐姿82.419.0193.0172.647.9<0.00132.2<0.001-14.079-17.610116.9%109.5%完成操作次數(shù)112.237.6-14.968110.8%多24.453.2<0.0017少58.810.7128.21.5<0.001-23.62117.7%00目標(biāo)點(diǎn)大大84.516.5184.833.1<0.001-19.448119.9%小小87.018.7180.944.8<0.001-12.991107.9%另外，使用配對(duì)t檢驗(yàn)方法分析了實(shí)驗(yàn)中3個(gè)組內(nèi)因素對(duì)任務(wù)完成時(shí)間的影的任務(wù)完成時(shí)間平均值為141.030.2127.5秒（標(biāo)準(zhǔn)差為22.3秒）。在工作姿勢(shì)因素的兩個(gè)水平“站姿”和“坐姿”的任務(wù)完成時(shí)間之間存在顯著差異（，p=0.018位置以及模型的尺寸可知，站姿的模型最高點(diǎn)據(jù)地面大約170cm高，被試的平均身高為172cm左右，而坐姿模型最高點(diǎn)只有100cm左右，所以站姿任務(wù)難度要比坐姿難度高，任務(wù)完成時(shí)間也比坐姿長。的任務(wù)完成時(shí)間平均值為175.1秒標(biāo)準(zhǔn)差為34.5秒）；“少”的任務(wù)完成時(shí)間的平均值為94.3秒（標(biāo)準(zhǔn)差為16.0秒）。在完成操作次數(shù)因素的兩個(gè)水平“多”和“少”的任務(wù)完成時(shí)間之間存在著顯著差異（，p<0.001為在一個(gè)任務(wù)中完成4個(gè)回合操作，而“少”為一個(gè)任務(wù)完成2個(gè)回合操作，因此兩個(gè)水平的平均任務(wù)完成時(shí)間存在顯著差異，并且“多”的平均任務(wù)完成時(shí)間大約為“少”的平均任務(wù)完成時(shí)間1倍。從對(duì)在虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境中任務(wù)完成時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，完成操作次數(shù)對(duì)完成任務(wù)時(shí)間存在影響。的任務(wù)完成時(shí)間平均值為134.622.0秒）；“小”的任務(wù)完成時(shí)間的平均值為134.0秒（標(biāo)準(zhǔn)差為28.0秒）。不過，在目標(biāo)點(diǎn)大小因素中兩個(gè)水平“大”和“小”的任務(wù)完成時(shí)間之間并未發(fā)現(xiàn)存在顯著差異（，p=0.883被試在完成任務(wù)過程中距模型只有80cm”對(duì)于被試而言可能差別不大，所以對(duì)被試完成任務(wù)影響較小，對(duì)任務(wù)完成時(shí)間不存在顯著影響。5.5.4不適感強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中被試報(bào)告了頸部、肩部、上臂、前臂有不適感。不過，只有前臂在真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境的不適感評(píng)分之間存在顯著相關(guān)性。其他身體部位的不適感程度都很低（被試報(bào)告為“非常輕”或者“沒有”）。30名被試在真實(shí)環(huán)境中對(duì)前臂不適感評(píng)分的平均值為2.03（標(biāo)準(zhǔn)差為1.38評(píng)分的平均值為2.97（標(biāo)準(zhǔn)差為1.40t檢驗(yàn)方法對(duì)真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境中不適感評(píng)分的差異進(jìn)行分析，結(jié)果表明兩者之間存在著顯著差異（，p<0.001）。0分至6.13分，而相應(yīng)的真實(shí)環(huán)境中不適感評(píng)分測(cè)量數(shù)據(jù)從0分至4.69臂不適感評(píng)分從0分至40分至3.38而當(dāng)虛擬環(huán)境中前臂不適感評(píng)分從4.1分至6.13感評(píng)分從2.63分至4測(cè)量數(shù)據(jù)與真實(shí)環(huán)境中測(cè)量數(shù)據(jù)具有一致的變化趨勢(shì)，并且虛擬環(huán)境中前臂不適感評(píng)分要高于真實(shí)環(huán)境，即表明完成相同任務(wù)后，被試的前臂在虛擬環(huán)境中比真實(shí)環(huán)境中會(huì)感受到更強(qiáng)的不適感。使用線性回歸方法對(duì)虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境測(cè)量的前臂不適感評(píng)分進(jìn)行分析，若真實(shí)環(huán)境中測(cè)量的前臂不適感評(píng)分記為，虛擬環(huán)境中測(cè)量的前臂不適感評(píng)分記5.10所示。圖5.10前臂不適感評(píng)分（BPD）標(biāo)準(zhǔn)殘差BPD準(zhǔn)殘差與大小無關(guān)，并且數(shù)據(jù)點(diǎn)在圖中隨機(jī)分布，而且殘差都在從2至-2之間。因此初步可知直線模型適合用于對(duì)虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境中測(cè)量的前臂不適感評(píng)分進(jìn)行回歸分析。對(duì)在虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境中前臂不適感測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，分析結(jié)果如5-5式所示：（5-5）對(duì)前臂不適感評(píng)分回歸分析的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明回歸結(jié)果的線性關(guān)系是顯著的（，p<0.001=0.608。虛擬和真實(shí)環(huán)境中前臂不BPD95%預(yù)測(cè)區(qū)間和置信區(qū)間如圖5.11所示。圖5.11真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境間前臂不適感評(píng)分線性回歸結(jié)果前臂不適感評(píng)分的線性回歸分析結(jié)果表明，虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境中前臂不適感評(píng)分測(cè)量結(jié)果之間存在線性關(guān)系。對(duì)于完成相同任務(wù)，虛擬環(huán)境中被試前臂的不適感評(píng)分與真實(shí)環(huán)境中的測(cè)量結(jié)果具有相同變化趨勢(shì)。而虛擬環(huán)境中前臂的不適感評(píng)分都高于真實(shí)環(huán)境，即被試在虛擬環(huán)境中完成相同任務(wù)，前臂感覺到比真實(shí)環(huán)境中更強(qiáng)的不適感。因此，根據(jù)線性回歸分析結(jié)果可知，在一定精度要求條件下，可以使用虛擬環(huán)境中測(cè)量的前臂不適感評(píng)分對(duì)在真實(shí)環(huán)境中完成相同任務(wù)的不適感進(jìn)行預(yù)測(cè)。30名被試前臂不適感評(píng)分根據(jù)3個(gè)組內(nèi)因素進(jìn)行分類并使用配對(duì)t檢驗(yàn)對(duì)每類中真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明虛擬環(huán)境中的前臂不適感評(píng)分均要顯著高于真實(shí)環(huán)境中的結(jié)果（表5.6務(wù)前臂會(huì)感受到比在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中完成任務(wù)更強(qiáng)的不適感。表5.6根據(jù)組內(nèi)因素分類的BPD評(píng)分均值、方差和差異（N=30）因素水平p均值方差均值方差工作姿站姿1.941.262.981.61<0.001-4.88953.2%勢(shì)坐姿2.111.692.971.37<0.001-4.15940.7%完成操多2.401.563.381.62<0.001-4.87141.0%作次數(shù)少1.651.302.561.29<0.001-4.92855.0%目標(biāo)點(diǎn)大1.871.322.931.36<0.001-5.78557.0%大小小2.181.563.011.52<0.001-4.71937.8%使用Pearson相關(guān)系數(shù)方法對(duì)每一類中真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境的前臂不適感評(píng)分測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境中測(cè)量到的BPD評(píng)分結(jié)果之間顯著相關(guān)（表5.7）。這個(gè)結(jié)果說明，不僅虛擬環(huán)境中總的不適感評(píng)分與真實(shí)環(huán)境顯著相關(guān)，而且在工作姿勢(shì)、完成操作次數(shù)、目標(biāo)點(diǎn)大小三個(gè)因素的各個(gè)水平條件下，虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境中完成相同任務(wù)的不適感也顯著相關(guān)，因此可以在一定精度要求條件下使用虛擬環(huán)境中不適感測(cè)量結(jié)果來對(duì)真實(shí)環(huán)境中完成相同任務(wù)的不適感進(jìn)行預(yù)測(cè)。表5.7真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境中BPD評(píng)分之間相關(guān)系數(shù)（根據(jù)組內(nèi)因素分類）（N=30）因素水平相關(guān)系數(shù)p站姿0.70<0.001工作姿勢(shì)坐姿0.75<0.001多0.76<0.001完成操作次數(shù)少0.69<0.001大0.72<0.001目標(biāo)點(diǎn)大小小0.81<0.0015.5.5感知努力程度（RPE）30名被試在真實(shí)環(huán)境中的RPE評(píng)分平均值為11.73（方差為1.78）；而在虛擬環(huán)境中的RPE評(píng)分平均值為14.38（方差為1.58）。使用配對(duì)t檢驗(yàn)分析真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境中RPE評(píng)分的差異，結(jié)果表明虛擬環(huán)境中的RPE評(píng)分與真實(shí)環(huán)境之間存在顯著差異（，p<0.001），比真實(shí)環(huán)境評(píng)分要高23%。這個(gè)結(jié)果說明被試感覺在虛擬環(huán)境中完成相同任務(wù)與真實(shí)環(huán)境相比需要付出更多努力。而根據(jù)任務(wù)完成時(shí)間的分析結(jié)果可知，在虛擬環(huán)境中需要更長任務(wù)完成時(shí)間，自然被試也需要付出更多努力，被試也更容易疲勞，不適感也更強(qiáng)。這與疲勞程度（肌肉最大輸出力下降率）和前臂不適感評(píng)分的分析結(jié)果相一致。進(jìn)而將被試的RPE評(píng)分根據(jù)3個(gè)組內(nèi)因素進(jìn)行分類，并使用配對(duì)t檢驗(yàn)分析每類中真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境RPERPE評(píng)分要比真實(shí)環(huán)境顯著高大約21%~25%（表5.8下虛擬環(huán)境需要付出比真實(shí)環(huán)境更多努力。根據(jù)任務(wù)完成時(shí)間分析結(jié)果可知，被試在虛擬環(huán)境中要比在真實(shí)環(huán)境需要更長任務(wù)完成時(shí)間，而完成任務(wù)所需時(shí)間越長，被試也會(huì)感覺需要付出努力程度就越高。表5.8根據(jù)組內(nèi)因素分類RPE評(píng)分均值、方差和差異（N=30）因素水平p均值方差均值方差-6.4924.8%站姿11.71.914.61.7<0.0010工作姿勢(shì)-6.0821.3%坐姿11.81.914.31.8<0.0018完成操作次數(shù)多12.42.015.11.7<0.001-7.10421.8%-5.6424.4%少12.41.813.81.6<0.0018-6.0522.6%大11.61.914.31.6<0.0018目標(biāo)點(diǎn)大小-6.7223.5%小11.81.914.61.6<0.0018另外，使用配對(duì)t檢驗(yàn)方法對(duì)3個(gè)組內(nèi)因素對(duì)RPE測(cè)量結(jié)果影響進(jìn)行分析，評(píng)分平均值為13.08（方差為1.31的RPE評(píng)分平均值為13.02（方差為1.47）。不過，在工作姿勢(shì)因素的兩個(gè)水平“站姿”和“坐姿”RPE評(píng)分之間沒有發(fā)現(xiàn)存在顯著差異（，p=0.791）。即工作姿勢(shì)并未對(duì)完成任務(wù)付出努力程度產(chǎn)生影響。雖然分析結(jié)果表明工作姿勢(shì)因素對(duì)任務(wù)完成之間的任務(wù)完成時(shí)間差異只有13秒，約為這兩個(gè)水平任務(wù)完成時(shí)間的10%由于在實(shí)驗(yàn)中“坐姿使用的模型不同（圖5.2可能會(huì)因?yàn)槎ㄎ晃恢幂^高目標(biāo)點(diǎn)的操作而增加額外付出努力（如圖5.3中所示，“坐姿”使用的模型由2個(gè)平臺(tái)構(gòu)成，而“站姿”實(shí)驗(yàn)的模型只有一個(gè)平臺(tái)），這可能會(huì)對(duì)以兩種工作姿勢(shì)完成任務(wù)付出努力產(chǎn)生影響。完成操作次數(shù)因素“多”的RPE評(píng)分平均值為13.68（方差為1.60）；“少”的RPE平均值為12.41（方差為1.07）。在完成操作次數(shù)因素的兩個(gè)水平“多”和“少”的RPE評(píng)分之間存在顯著差異（，p<0.001響到完成任務(wù)努力程度。目標(biāo)點(diǎn)大小因素“大”的RPE評(píng)分平均值為12.91（方差為1.25）；“小”的RPE評(píng)分平均值為13.19（方差為1.38）。不過，在目標(biāo)點(diǎn)大小因素的兩個(gè)水的RPE評(píng)分之間并沒有發(fā)現(xiàn)存在顯著差異（，p=0.116數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示目標(biāo)點(diǎn)大小因素對(duì)任務(wù)完成時(shí)間和RPE評(píng)分沒有顯著影響。不過這是根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)大小因素包含的兩個(gè)水平“大”（直徑18mm）和“小”（直徑6mm）測(cè)量得到的，在實(shí)驗(yàn)中并沒有包含其他尺寸目標(biāo)點(diǎn)。另外，3個(gè)組內(nèi)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響的統(tǒng)計(jì)分析表明完成操作次數(shù)因素對(duì)任務(wù)完成時(shí)間和感知努力程度（RPE（每個(gè)任務(wù)中需要完成4個(gè)回合操作）要比“少”（每個(gè)任務(wù)中需要完成2個(gè)回合操作）需要更長任務(wù)完成時(shí)間，被試也感覺到需要付出更多的努力來完成。另外，對(duì)3個(gè)組內(nèi)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的統(tǒng)計(jì)分析表明完成操作次數(shù)因素對(duì)任務(wù)完成時(shí)間和感知RPE（每個(gè)任務(wù)中需要完成4個(gè)回合操作）要比“少”（每個(gè)任務(wù)中需要完成2個(gè)回合操作）需要更長的任務(wù)完成時(shí)間，被試也感覺需要付出更多努力來完成。5.6實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論實(shí)驗(yàn)在真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境中對(duì)手工裝配操作的幾個(gè)工效學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，這些指標(biāo)包括被試的姿勢(shì)（肘關(guān)節(jié)角度）、任務(wù)完成時(shí)間、身體部位不適感程度（BPD）、感知努力程度（RPE）評(píng)分、肌肉最大輸出力下降率（MFCR）。被試的工效學(xué)指標(biāo)（任務(wù)完成時(shí)間、身體不適感程度（BPD（RPEMFCR））在真實(shí)環(huán)境中的測(cè)量結(jié)果都與虛擬環(huán)境中的測(cè)量結(jié)果相比存在顯著差異。其中虛擬環(huán)境中任務(wù)完成時(shí)間要顯著比真實(shí)環(huán)境長；同樣，身體部位不適感程度（BPD）、感知努力程度（RPE）、肌肉最大輸出力下降率（MFCR）也有類似的結(jié)果。更長的任務(wù)完成時(shí)間可能是導(dǎo)致被試在虛擬環(huán)境中要比在真實(shí)環(huán)境中更容易疲勞、感覺到更強(qiáng)不適感和感覺需要付出更多努力的原因。實(shí)驗(yàn)中通過《虛擬環(huán)境臨境感評(píng)價(jià)問卷》對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的虛Cronbach為0.81530名被試的對(duì)虛擬場(chǎng)景臨境感評(píng)價(jià)的平均值為4.01（方差為0.62）。根據(jù)《虛擬環(huán)境臨境感評(píng)價(jià)問卷》中采用的7點(diǎn)Likert的臨境感的評(píng)價(jià)為中等水平，在可以接受的程度上。因?yàn)楣I(yè)企業(yè)在技術(shù)上和預(yù)算上更有保障，所以工業(yè)中使用虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)該能夠提供比本文實(shí)驗(yàn)中使用的仿真系統(tǒng)更高的虛擬環(huán)境臨境感，因此真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境中的工效學(xué)指標(biāo)測(cè)量結(jié)果可能比實(shí)驗(yàn)中獲得的結(jié)果具有更小的差異和更高的相關(guān)性。在實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)致虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境中工效學(xué)指標(biāo)之間存在差異的部分原因可以使用ACT-R理論來解釋。一個(gè)手工裝配操作通常包含定位、到達(dá)、精確調(diào)整、對(duì)準(zhǔn)幾個(gè)操作。ACT-R塊、處理單元[107]（圖5.12）。圖5.12ACT-R理論的認(rèn)知模型示意圖根據(jù)ACT-R理論，手工裝配操作由視覺模塊和操作模塊來進(jìn)行處理。其中視覺模塊